Over the last several decades, the emerging ‘integrated’ view of the cell has triumphed over the ‘one gene/one protein/one function’ paradigm. This is illustrated by the biologically opposite effects of key regulatory proteins in different cell types, in established versus primary cells, and in vitro versus in vivo situations. The persistent theme throughout this dissertation is the integration of a wide range of data sources for the purpose of understanding distinct cellular contexts. We first use circadian expression data from human epidermal stem cells to discover waves of transcripts expressed in tune with known clock genes and show that time-of-day dependent responses to proliferation/differentiation cues is important for skin homeostasis. We then combine this expression data with information on protein structures and complexes to describe how protein-complex assembly is temporally regulated during differentiation. Lastly, we show that human protein complexes are composed of a stable ‘core’ and a plastic ‘periphery’ whose tissue-specific expression allows protein complexes to function in a context-dependent manner. / En las últimas décadas, la emergente vista integrativa de la célula ha triunfado sobre el paradigma histórico: ‘un gene/una proteína/una función’. Esto es ilustrado por los efectos biológicos opuestos de proteínas regulatorias clave en cultivos celulares inmortalizados frente a primarios e in vitro frente a in vivo. El tema persistente en este disertación es la integración de un amplio set de datos para estudiar los distintos contextos celulares. En primer lugar, utilizamos los datos de expresión génica obtenidos de células madre epidérmicas para descubrir las ondas de transcripción expresadas en sintonía con los genes conocidos de los ritmos circadianos. En este estudio demostramos que las respuestas de las células madres a las señales de proliferación/diferenciación dependen de hora del día y el tiempo circadiano es importante para la homeostasis de la piel. Posteriormente, combinamos estos datos de expresión con la información estructural de proteínas y complejos proteicos para describir la regulación temporal de complejos durante el proceso de diferenciación. Por último, mostramos que los complejos de proteínas humanos están compuestos de un ‘núcleo’ estable y una 'periferia' plástica cuya expresión específica de tejido celular permite que los complejos de proteínas funcionen de una manera dependiente del contexto.

La mort de les cèl•lules ciliades, com a conseqüència de diversos factors com l’envelliment, el soroll elevat o l´ús d’ototòxics, causa sordesa. Els mamífers no tenen la capacitat de regenerar les cèl•lules ciliades. No obstant, els vertebrats inferiors han mantingut aquesta capacitat mitjançant la proliferació de les cèl•lules de suport i/o la seva transdiferenciació. S’ha descrit la via de l’àcid retinoic (AR) com a un factor important durant el procés de regeneració de diversos òrgans. Tanmateix, el paper de la via a l’orella interna és poc conegut. L’estudi del patró d’expressió gènica, anàlisis funcionals i seguiment del llinatge cel•lular, ens ha permès determinar la importància de l’AR durant el procés de regeneració de les cèl•lules ciliades en peix zebra. Després de la mort d’aquestes, el bloqueig de la via de l’AR tant a l’orella interna com a la línia lateral impedeix la seva regeneració i redueix la proliferació de les cèl•lules de suport. Altrament, s’indueix l’expressió dels components de la via de l’AR. Finalment, demostrem que l’AR és essencial per reduir l’expressió de p27kip i sox2 a les cèl•lules de suport permetent que aquestes proliferin de nou. Com a conclusió, he pogut descobrir una nova funció de l’AR durant la regeneració de les cèl•lules ciliades que podria ser rellevant en futures estratègies terapèutiques / Hair cell damage, caused by various insults, results in hearing loss in humans, one of the major health problems nowadays. In mammals damaged hair cells cannot regenerate, whereas lower vertebrates have retained the ability to replace them by inducing cell proliferation of supporting cells and/or their transdifferentiation. Retinoic Acid (RA) has been implicated in several organs regeneration but its role in hair cell regeneration is unknown. A combination of gene expression profiling, functional assays and cell-lineage tracing experiments allows us to highlight the importance of the RA pathway in hair cell regeneration in zebrafish. Regeneration is impaired upon blockade of the RA pathway in both the inner ear and lateral line systems together with a reduction of supporting cell proliferation. Moreover, the expression of RA pathway components is induced during hair cell regeneration, confirming the activation of the pathway. Finally, we demonstrate that RA is critical for downregulating p27kip and sox2 in supporting cells, allowing them to re-enter the cell cycle. This pivotal role of RA could be relevant in the development of future therapeutic strategies

Most cells store energy in lipid droplets (LDs), specialized storage organelles composed of a neutral lipid core that, during their biogenesis, is packaged into a single phospholipid monolayer decorated with specific proteins. Regulation of LDs size and number requires the function of the conserved ER protein Seipin/Fld1, however the molecular function of this protein remains poorly understood. Yeast seipin Fld1 is in complex with Ldb16, an uncharacterized ER protein. Like fld1Δ cells, LDB16 deletion mutant displays a similar aberrant LDs morphology phenotype: lower number of supersized LDs (SLD) or tiny and clustered LD aggregates, depending on the absence or presence of the phospholipid precursor inositol in the media, respectively. The growth stage of cells also impacts on the relative distribution of these phenotypes: while LD aggregates predominate in dividing cells, SLDs are found primarily in stationary phase cells. We found that the complex formed by Ldb16 and Fld1 is required for normal LDs phenotype. In particular, this dual LD morphology is not observed for any other mutants studied so far suggesting that Fld1/Ldb16 have a unique role in LD biogenesis. Combining mass spectrometry analysis on purified LDs with light microscopy, we found that the distribution of many ER and LDs proteins is altered in these mutants. Analysis of a subset of proteins enriched at LDs surface in mutant cells indicated that the physical properties of clustered LDs may differ from those of supersized LDs. Moreover our data obtained by following the process of LDs biogenesis in presence or absence of inositol points toward a role for Fld1/Ldb16 complex in organizing membrane domains at LDs assembly site. In the absence of the complex, the segregation between the two compartments could be lost and the assembly of LDs is impaired resulting in defects in phospholipid packing that is exacerbated in inositol presence. We propose a function in facilitating the establishment of LD identity by acting as a diffusion barrier at the ER-LD contact sites / La mayoría de las células almacenan la energía en partículas lipídicas, también conocidas como “lipid droplets” (LD), unos orgánulos especializados compuestos por un núcleo de lípidos neutros que, durante su biogénesis, se empaqueta de forma coordinada en una monocapa de fosfolípidos decorada con proteínas específicas. La regulación del tamaño y número de LDs requiere la función de la proteína conservada de retículo endoplasmático (RE) Seipina/Fld1. Sin embargo, la función molecular exacta de esta proteína no está clara. La seipina/Fld1 de levadura está en complejo con Ldb16, una proteína de RE no caracterizada. Como las células fld1Δ, la deleción del gen correspondiente a esta proteína muestra la misma doble morfología aberrante de LDs: un LD individual y de tamaño gigante (SLD, “single and supersized LD”) o LDs pequeños y agrupados, en función de la ausencia o presencia, respectivamente, del precursor fosfolipídico inositol en el medio. La fase de crecimiento de las células también influye en la distribución relativa de estos fenotipos: mientras que los agregados de LDs predominan en las células en división, los SLDs se encuentran principalmente en células en fase estacionaria. Observamos que el complejo formado por Ldb16 y Fld1 es necesario para el fenotipo de LDs normal. En particular, esta doble morfología de LDs no se observa en ningún otro mutante estudiado hasta ahora, lo que sugiere que Fld1 / Ldb16 tiene un papel único en la biogénesis de LDs. Combinando el análisis de espectrometría de masas en LDs purificados con microscopía, se observó que la distribución de muchas proteínas de RE y LDs estaba alterada en estos mutantes. Los cambios observados en un subconjunto de proteínas enriquecidas en la superficie de las LDs, nos indicaron que las propiedades físicas de los LDs agrupados podrían diferir de las de los LDs gigantes. Los datos obtenidos siguiendo el proceso de biogénesis de LD sugieren que el complejo Fld1/Ldb16 organiza dominios de membrana en los sitios de ensamblaje de LDs, y en su ausencia la segregación entre RE y LDs pueden perderse. Proponemos que la función del complejo Fld1/Ldb16 es facilitar el establecimiento de la identidad del LD, actuando como una barrera de difusión en los sitios de contacto RE-LD.

Material addicional: http://hdl.handle.net/10230/25608 / Lsm proteins regulate RNA metabolism and are conserved in the three domains of life, typically functioning as RNA-binding complexes involved in a wide range of post-transcriptional mechanisms. Generally, their functions have been explored in unicellular models using biochemical approaches; however their physiological roles in multicellular organisms remain unknown. This gap in knowledge is biomedically relevant since alterations of individual LSM proteins functions have been related to cancer development. We performed a functional study of the eleven LSM proteins encoded in the C. elegans genome. We found that although lsm-1 and lsm-3 genes are not essential for the viability of the organism, they are required for wild type healthspan. In addition LSM-1 and LSM-3 proteins function in stress responses by promoting cytoplasmic LSM foci formation and influencing Insulin/IGF-like signaling pathway, a major regulator of development and stress response in metazoans. This study uncovers a physiological role for the LSM proteins in multicellular organisms as essential players for healthspan maintenance and stress adaptation. / Las proteínas de la familia Lsm están conservadas desde bacterias a humanos y participan en el metabolismo de ARN. Aunque el estudio de sus funciones ha sido generalmente abordado mediante aproximaciones bioquímicas en modelos unicelulares, sus funciones en organismos multicelulares son desconocidas. Su estudio en organismos modelo es de especial relevancia biomédica ya que la alteración específica de ciertas proteínas Lsm ha sido relacionada con el desarrollo del cáncer. Mediante el estudio funcional de las once proteínas Lsm presentes en C. elegans, mostramos cómo los genes lsm-1 y lsm-3, pese a no ser esenciales para la viabilidad del organismo, son necesarios para el mantenimiento de su salud. Además, LSM-1 y LSM-3 funcionan durante la respuesta a estrés promoviendo la agregación citoplasmática de proteínas LSM y contribuyendo a la correcta señalización a través de la vía de la Insulina/IGF-like, importante en la regulación del metabolismo y la respuesta a estrés en metazoos. Este estudio destaca el importante papel fisiológico de las proteínas LSM en el desarrollo y la adaptación al estrés de un organismo multicelular.

The 1st part of the thesis demonstrates that autophagy promotes cell death by an intrinsic apoptotic pathway at the early times of trophic-nutritional deprivation. In this paradigm, autophagy also promotes apoptosis induced by anticancer drugs. At longer times, autophagy displays its assumed protective role on starved cells. Time, being the only determinant of the dual role of autophagy on cell fate, is a novelty that impinges on tumor biology and therapy. The 2nd part of the thesis focuses on the compound 2-phenylethynesulfonamide (PES) with a promising lethal selectivity for cancer cells, already published. PES is an inhibitor of Heat Shock Protein 70 and autophagy, thus impairing cell proteostasis. The thesis reveals a positive feed-back between reactive oxygen species and p53 in the PES mode of action. Finally, PES uncovers an unexpected pro-survival function of BAX protein, precisely the promotion of mitochondrial fusion. / La primera part de la tesi demostra que l'autofàgia promou la mort cel•lular per una via apoptòtica intrínseca a temps inicials de la privació-tròfica nutricional. En aquest paradigma, l'autofàgia també promou l’apoptosi induïda per fàrmacs anticancerosos. A temps més llargs, l'autofàgia mostra el seu paper protector. El temps com a únic determinant de la funció dual de l'autofàgia en el destí cel•lular és una novetat, que incideix en la biologia i teràpia antitumoral. La segona part de la tesi estudia el compost 2-feniletísulfonamida (PES) amb una prometedora letalitat selectivitat pel càncer, ja publicada. PES és un inhibidor de “Heat Shock Protein 70” i autofàgia, fet que trenca la proteostasi cel•lular. La tesi revela una retroalimentació positiva entre espècies reactives d’oxigen i p53 en el mecanisme d’acció de PES. Finalment, PES posa de manifest una funció inesperada i pro-supervivència de la proteïna BAX, concretament promoure la fusió mitocondrial. / La primera parte de la tesis demuestra que la autofagia promueve la muerte celular por vía apoptótica intrínseca a tiempos tempranos de privación trófico-nutricional. En este paradigma, la autofagia también promueve apoptosis inducida por fármacos anticancerosos. A tiempos más largos, la autofagia muestra su papel protector. El tiempo como único determinante de la función dual de la autofagia en el destino celular es una novedad, que incide en la biología y terapia antitumoral. La segunda parte de la tesis estudia el compuesto 2-feniletinosulfonamida (PES) con una prometedora letalidad selectiva por el cáncer, ya publicada. PES es un inhibidor de "Heat Shock Protein 70" y autofagia, lo cual rompe la proteostasis celular. La tesis revela una retroalimentación positiva entre especies reactivas de oxígeno y p53 en el mecanismo de acción de PES. Finalmente, PES pone de manifiesto una función inesperada y pro-supervivencia de la proteína BAX, concretamente promover la fusión mitocondrial.

Los sinusoides del bazo humano promueven la lenta percolación de la sangre, favoreciendo la captura de antígeno por los fagocitos y linfocitos del sistema inmune local. Estratégicamente posicionadas delimitando los vasos, e históricamente conocidas como células retículo-endoteliales, las células que delinean los sinusoides (SLCs), tienen una biología enigmática y podrían ser vistas como un componente desconocido del sistema inmunológico. En esta tesis hemos observado que las SLCs poseían un fenotipo simil-endotelial, eran específicas de humano y expresaban moléculas típicamente asociadas al linaje endotelial como el factor de von Willenbrand, y las moléculas CD31, CD54, CD102, CD105 y CD141. Sin embargo, a diferencia de las células endoteliales, las SLCs también expresaban moléculas típicamente asociadas al linaje estromal como la vimentina y la actina de músculo liso, junto con varias moléculas del linaje mieloide como CD14, CD36, CD163, MR, DEC-205 y TLR4. A si mismo, las SLCs evidenciaron una huella genética típicamente macrofágica que incluía sensores microbianos, receptores de tipo “scavenger”, mediadores de la respuesta inmunitaria y reguladores de la fagocitosis y la presentación antigénica. Además de fagocitar antígenos a través de un mecanismo actina-dependiente, las SLCs secretaban BAFF, APRIL, IL-6 y CXCL10, induciendo el reclutamiento, la activación y la supervivencia de células B de la zona marginal, un subtipo celular especializado en la respuesta de anticuerpos frente a antígenos provenientes de la sangre. Por lo tanto, las SLCs son células endoteliomieloides que funcionan como centinelas dotados de funciones fagocíticas y que ayudan en la producción de anticuerpos. / Sinusoid vessels promote the slow percolation of venous blood through the red pulp of the spleen, thereby favoring antigen capture by phagocytes and lymphocytes of the local immune system. Strategically positioned around sinusoids and historically known as reticulo-endothelial cells, sinusoid-lining cells (SLCs) have an enigmatic biology and thus can be viewed as an orphan component of our immune system. We found here that SLCs were a human-specific population of endothelial-like cells that expressed typical endothelial molecules such as von Willenbrand factor, CD31 (PECAM-1), CD54 (ICAM-1), CD102 (ICAM-2), CD105 (endoglin) and CD141 (thrombomodulin). However, unlike endothelial cells, SLCs also expressed the stromal molecules vimentin and smooth muscle actin along with several myeloid molecules such as CD14, CD36, CD163, MR, DEC-205 and TLR4. Accordingly, SLCs showed a prominent macrophage-like gene signature that included microbial sensors, scavanger receptors, immune mediators, and regulators of phagocytosis and antigen presentation. Besides phagocytosing particulate antigens through an actin-dependent mechanism, SLCs released BAFF, APRIL, IL-6 and CXCL10, which enhanced the recruitment, activation and survival of marginal zone (MZ) B cells, a splenic lymphocyte subset specialized in innate-like antibody responses to blood-borne antigens. Thus, SLCs are endothelialmyeloid cells that serve as sentinels endowed with phagocytic and antibody-enhancing functions.

El cultiu de cèl·lules animals és una tecnologia que disposa d'un gran potencial econòmic i social, cada cop més elevat degut a la pròpia importància de les aplicacions en les que es troben relacionats aquests productes, que es troba enfocat al descobriment, desenvolupament i ús de nous productes biotecnològics. Degut a la major complexitat del cultiu de cèl·lules animals i a les limitacions que presenten envers els cultius de cèl·lules procariotes per a l'obtenció d'elevades concentracions cel·lulars, és necessari dotar el cultiu de cèl·lules animals de tecnologies que permetin optimitzar‐ne la seva expansió cel·lular i poder evitar l'actual suboptimització de la majoria dels processos de cultius de cèl·lules animals, que s'han basat en estratègies de cultiu simples (discontinu) i que limiten fortament les concentracions finals obtingudes. Un dels paràmetres clau en un cultiu de cèl·lules és la concentració cel·lular, essent la màxima concentració cel·lular un dels objectius primordials dels cultius cel·lulars a la fi de poder obtenir la màxima productivitat. No és estrany, doncs, que aquest paràmetre es consideri el més important a monitorar en línia per a aquest tipus de processos. Tot i que la majoria de productes biotecnològics son produïts mitjançant cultius de cèl·lules animals que creixen en suspensió, cada cop existeix un ventall de productes més extens produït exclusivament per cèl·lules adherents, com per exemple quan una línia cel·lular adherent no s'ha pogut adaptar amb èxit cap a un cultiu en suspensió, quan el producte són les pròpies cèl·lules adherents, quan es tracta d'un producte viral o proteic que necessita dels tipus concrets de cèl·lules animals adherents o per a les tecnologies emergents de les cèl·lules mare i l'enginyeria tissular, on la majoria dels llinatges cel·lulars resultants són adherents. La problemàtica però, recau en que moltes de les tecnologies que es troben desenvolupades actualment es varen focalitzar cap als cultius de cèl·lules animals en suspensió, mentre que els cultius de cèl·lules animals adherents es deixaven a banda. El fet que aquestes cèl·lules es trobin adherides formant una monocapa a la superfície del sistema de cultiu i no es trobin en suspensió, implica que les actuals metodologies i sensors comercials utilitzats pel seguiment de la concentració cel·lular en cultius de cèl·lules no adherents i que gaudeixen d'una bona sensibilitat, no siguin aplicables. A més a més, les mesures actuals que s'utilitzen pel monitoratge de cultius de cèl·lules adherents impliquen la utilització de mètodes destructius i fora de línia, obligant a la utilització de diversos cultius en paral·lel per a poder obtenir més d'un valor de concentració cel·lular al llarg d'un creixement cel·lular, amb la variabilitat que això significa. Així doncs, en aquest treball s'ha abordat aquesta problemàtica, amb l'objectiu de desenvolupar i implementar unes tecnologies que permetin el seguiment, en línia, de la concentració cel·lular, ja sigui de forma directa o bé de forma indirecta, mitjançant la seva estimació a partir de la mesura de l'activitat cel·lular, i que pugui abraçar l'ampli ventall de línies cel·lulars existents que creixen en adherència i que disposen de característiques cel·lulars diferents (consums de nutrients, concentracions cel·lulars, necessitats en el medi de cultiu...). / The cultivation of animal cells is a technology that has great economic and social increasingly potentials, due to the very important applications in which these products are related, which are focused on the discovery, development and use of new biotechnology products. Due to the greater complexity of the cultivation of animal cells and its limitations to obtain high cell concentrations when compared to prokaryotic cells, we must develop new technologies which permits the optimization of animal cell cultures in order to prevent the current suboptimitzation of most animal cell cultures processes, which are usually based on simple cultivation strategies (batch) that limit strongly the final obtained cell concentrations. One of the key parameters in cell culture is cell density being, the maximum cell density, one of the main objectives of cell cultures in order to obtain maximum productivity. It's for this reason that it is considered the most important parameter to monitor online. Although most biotechnology products are produced by animal cells that grow in suspension cultures, the products produced exclusively for adherent cells are in constant increase, for example when an adherent cell line can't be successfully adapted to suspension cultures, when the product are the same adherent cells, when a required viral or protein product are only produced by specific types of adherent animal cells or for the emerging stem cell and tissue engineering technologies, where most of its related cell lines are adherent. The problem however, lies in that many of the current technologies have been developed for suspension animal cells, while adherent animal cell lines were left aside. The fact that these adherent cells are attached to the surface forming a monolayer culture system and are not suspended in the medium, means that the current methodologies and commercial sensors with good sensibilities used to monitor cell concentration in suspension cell cultures, can't be used for adherent cells. In addition, the current measurements used to monitor adherent cell cultures involve the use of destructive offline methods, forcing the use of various cultures in parallel in order to obtain different measurements over a whole cell growth, with the variability that it means. Thus, this work has been addressed to solve this problem with the objective to develop and implement some technologies that permits to online monitor of cell using direct methods and indirect methods through their estimation from the measurement of cellular activity, technologies which must permit to monitor cell concentration to the wide range of existing adherent cell lines with different cellular characteristics (nutrient uptake, final cell concentrations, needs in culture medium, etc.).

La determinació de fluxos metabòlics constitueix una eina fonamental per a l'anàlisi quantitativa de la fisiologia cel·lular, ja que ens proporciona una mesura del grau d’implicació de les diverses vies en els processos metabòlics així com una visió general del comportament cel·lular. La quantificació exacta de la magnitud dels fluxos de cadascuna de les diferents vies “in vivo” és, per tant, un objectiu important de la fisiologia cel·lular i l'enginyeria metabòlica, especialment en el context de la biotecnologia industrial, l'objectiu principal de la qual és maximitzar la producció del compost d’interès, com ara la producció de compostos químics, biopolímers o d’altres compostos bioactius com ara les proteïnes. Aquest projecte de recerca s’ha dirigit a contribuir a una millor comprensió de la fisiologia del llevat metilotròfic Pichia pastoris sota l’estrès ocasionat per la producció de proteïnes recombinants. Concretament, aquesta tesi s'ha centrat en l'anàlisi sistemàtica del metabolisme cel·lular a nivell fluxomic i metabolòmic, i com aquests conjunts de dades de diferents nivells poden integrar-se i contribuir a la comprensió dels efectes de la càrrega metabòlica potencialment imposada per la secreció d'una proteïna recombinant i l’efecte del tipus de font de carboni utilitzat. En el Capítol 2, s’obtingué una descripció consistent de la composició principal de la biomassa de P. pastoris per a cada condició de cultiu realitzada en aquest estudi. Els resultats obtinguts han estat utilitzats en els capítols següents per realitzar l'anàlisi de fluxos metabòlics. En el Capítol 3, es realitzaren experiments amb marcatge 13C fraccional biosintèticament dirigit (BDF). Els experiments es realitzaren en cultius operats en continu de P. pastoris creixent amb barreges de glucosa/metanol com a font de carboni, per tal d’obtenir informació sobre les relacions entre fluxos de les principals vies metabòliques del metabolisme central d'aquest llevat. Es desenvoluparen noves equacions pel cas de la mescla de font de carboni mixta glucosa/metanol utilitzada. Seguidament, aquestes relacions foren utilitzades per dur a terme l'anàlisi de fluxos metabòlics de les diferents soques de P. pastoris secretores d'una lipasa recombinant (les quals tenien 1 i 2 còpies del gen que codifica la lipasa). La principal característica obtinguda, reflectida en els diferents quocients de fluxos metabòlics i les dades macroscòpiques dels cultius, fou la similitud en les estimacions finals de fluxos entre les dues soques productores de lipasa. No obstant, s’observaren diferències estadísticament significatives al comparar ambdues soques amb la soca control de referència (no productora). Durant el Capítol 4, seguint la mateixa metodologia comentada en el capítol anterior, s’estudià l’efecte de la taxa de dilució i diferents relacions de barreges glicerina/metanol com a font de carboni en cultius en continu de P. pastoris amb una única còpia del gen de la lipasa . Concretament, es realitzaren cultius a dues velocitats de dilució per tal d’avaluar l'impacte combinat de la composició de les diferents mescles de fonts de carboni i velocitat de creixement sobre la distribució de fluxos intracel·lulars. Les dades experimentals obtingudes en aquest estudi es combinaren amb dades de marcatge 13C obtingudes en experiments previs sota les mateixes condicions. No obstant, com a conseqüència de la utilització de glicerina en lloc de glucosa, no fou possible la utilització de les equacions de flux formulades en el capítol anterior. Per tant, com a solució alternativa, s’implementà una metodologia basada en l'avaluació global de la xarxa metabòlica per tal de calcular la distribució de fluxos. Curiosament, no s’observaren diferències estadísticament significatives en la distribució de fluxos quan es compararen els diferents cultius amb diferent relació de glicerina/metanol realitzats sota la mateixa taxa de dilució. D’altra banda, si que s’observaren clares diferències en el moment de comparar els patrons de flux corresponents a diferents taxes de dilució. Les diferents anàlisis metabolòmiques es descriuen en els Capítols 4 i 5. En el Capítol 5, s’aplicà una anàlisi metabolòmica juntament amb una distribució de fluxos en condicions isotopomèriques no estables (condicions de marcatge 13C en dinàmic) per a caracteritzar el metabolisme central de carboni de la soca de referència (control) de P. pastoris creixement amb glucosa/metanol com a font de carboni mixta. Una nova metodologia basada en les dades de marcatge obtingudes mitjançant GC-MS i LC-MS ens va permetre una quantificació més precisa dels diferents fluxos metabòlics per a les vies de les pentoses fosfat, la glucòlisi i la via d'assimilació del metanol. Posant com a referència els resultats obtinguts en el capítol 3, aquesta nova metodologia permeté determinar una distribució de fluxos més amplia i acurada. Així mateix, es realitzà una anàlisi termodinàmica de les dades de metabolòmica , la qual ens va permetre validar les concentracions de metabòlits mesurades i les direccions dels fluxos calculades. Finalment, en el Capítol 6, es realitzà una comparació fluxòmica i metabolòmica entre les diferents soques utilitzades en aquesta tesi, a més a més d'una altra soca amb més de 2 còpies del gen de la lipasa disponible en el Grup de recerca. Els resultats obtinguts no mostraren diferències estadísticament significatives entre les diferents soques productores en termes de distribució global dels fluxos. Ara bé, s'observaren diferències locals estadísticament significatives en alguns punts de la xarxa metabòlica. A més, l'anàlisi metabolòmica, revelà diferències clares entre la soca control i la productora, com ara la concentració de trehalosa, metabòlit estretament lligat a respostes d’estrès. En general, durant aquesta tesi s’ha portat a terme amb èxit la implementació de noves metodologies per a l'anàlisi dels fluxos metabòlics de P. pastoris. Aquestes metodologies han estat comparades i posteriorment validades. A més a més, utilitzant les diferents dades metabolòmiques obtingudes, ens ha permès expandir la xarxa metabòlica proposada durant els primer capítols d’aquesta tesi, ampliant així el coneixement sobre l’impacte de producció d’una proteïna recombinant sobre el metabolisme central del carboni de P. pastoris creixent sobre fonts de carboni mixtes. / Determination of metabolic fluxes constitutes a fundamental tool for quantitative analysis of cell physiology, as they provide a measure of the degree of engagement of various pathways in metabolic processes and overall cellular function. Accurate quantification of the magnitude of pathway fluxes in vivo is, therefore, an important goal of cell physiology and metabolic engineering, especially in the context of industrial biotechnology, where the aim is to convert as much substrate as possible into useful products such as chemicals, chemical building blocks, biopolymers or bioactive compounds such as proteins. This research project was aimed to contribute to the better understanding of the Pichia pastoris physiology under recombinant protein production stress. Specifically, this thesis was focused on the systematic analysis of cell metabolism at the fluxome and metabolome omics levels, and how datasets from these different levels can be integrated and contribute to the understanding of the impact of the potential burden imposed by the secretion of a recombinant protein and the type of mixed carbon source used. In Chapter 2, a consistent description of the biomass principal component of P. pastoris was obtained for each condition tested in this study, obtaining the best estimation of the biomass composition. The obtained results were afterwards used in the following chapters to perform the metabolic flux analysis. In Chapter 3, biosynthetically directed fractional 13C-labelling (BDF) experiments were performed in chemostat cultures of P. pastoris growing on a glucose/methanol mix, obtaining information about the principals metabolic flux ratios of the central carbon metabolism of this yeast. New equations were developed for the case of “glucose/methanol” as a mixed carbon source. Afterwards, these values were used to perform the metabolic flux analysis of two P. pastoris strains secreting different amounts of a recombinant lipase (corresponding to strains harbouring 1 and 2 copies of the lipase encoding gene). The most prominent feature obtained, already indicated by the metabolic flux ratios and the macroscopic data, was the similarity in flux estimations between the two lipase producing strains. Nevertheless, statistical differences were observed when comparing the control (non-producing) strain to the production strains. In Chapter 4, using the same experimental approach as in chapter 3, chemostat cultures of the P. pastoris strain harbouring one copy of the lipase gene growing on 3 different “glycerol/methanol” and 2 dilution rates were performed to evaluate the impact of carbon mix compositions and growth rate on the flux distribution. Experimental data was combined with existing 13C-labelling datasets obtained from previous BDF experiments performed on replica experiments. However, due to the use of glycerol instead of glucose, it was not possible to use the equations formulated in the previous chapter. Hence, an alternative approach based on the global evaluation of the metabolic network was done in order to calculate the final flux distribution. Interestingly, no statistical differences were observed when the experiments were done under a given dilution rate varying the glycerol-methanol concentrations. Nevertheless, clear differences were observed when comparing flux patterns corresponding to different dilutions rates. The metabolome analyses were performed in Chapters 4 and 5. In Chapter 5, metabolomic and instationary 13C flux analysis was applied to characterize the central carbon metabolism under “glucose/methanol” co-assimilating conditions, using the same reference control strain from Chapter 3. A new methodology based on GC-MS and LC-MS derived data allowed for an accurate mapping of metabolic fluxes for the glycolytic, pentose phosphate and methanol assimilation pathways. Compared with the results obtained in Chapter 3, more fluxes could be determined. Furthermore, using thermodynamic metabolic network analysis of metabolome data allowed validating metabolite measurements and metabolic flux directions. Finally in Chapter 6, a fluxome and metabolome comparison between the strains used in this thesis plus another strain harbouring five copies of the lipase gene was performed. The results showed no statistical differences between the tested strains in terms of global flux distribution, however we observe statistical differences in some fluxes of the metabolic network. Nevertheless, metabolome analysis, revealed some clear differences for example in the trehalose pool, as a result of the impact of protein secretion in the metabolite concentration pools. Overall, during this thesis we have succeeded in establishing new methodologies for the analysis of Pichia pastoris flows. These methodologies have been compared and validated. Moreover using the metabolomics data obtained has allowed us to expand the metabolic network proposed in the early chapters increasing the knowledge about the impact of a recombinant protein production using different carbon sources as a mixed substrates.

Les carbapénèmes sont des antibiotiques de la famille des β-lactamines utilisées en dernier recours à cause de leur stabilité vis-à-vis de la plupart des mécanismes de résistance. Cependant, on assiste chez les entérobactéries à l’émergence de carbapénèmases capables d’inactiver ces molécules. Les objectives de ce travail étaient d’explorer l’émergence de ces mécanismes de résistance dans des entérobactéries isolées au Nord Liban entre 2008 et 2012, d’analyser leur support génétique, ainsi que le fond génétique et la pathogénicité des souches porteuses. Nous avons observé une augmentation d’un facteur quatre de la prévalence des entérobactéries de sensibilité diminuée ou résistantes aux carbapénèmes dans les prélèvements cliniques hospitaliers entre 2008 et 2012. Un portage intestinal a été également observé chez 1,5% des individus dans une population d’enfants issus de la communauté. Le phénotype de résistance observé était lié à la production de la carbapénèmase OXA-48. Bien que sept espèces productrices ont été identifiées, la plupart des isolats étaient des souches non-redondantes appartenant aux espèces K. pneumoniae et surtout E. coli. Le vecteur de la diffusion de OXA-48 dans ces bactéries était trois plasmides du groupe d’incompatibilité IncL/M de 49 kb, 63 kb et 84 kb. Cependant, 67% des souches E. coli portaient le gène codant OXA-48 (blaOXA-48) sur le chromosome. La caractérisation des supports génétiques par des approches de séquençage à haut débit a montré qu’ils étaient apparentés et le produit de remaniements génétiques impliquant le transposon Tn21-like, la séquence d'insertion IS1R ou un nouveau transposon composite appelé Tn6237. L’insertion chromosomique de blaOXA-48 résultait de la transposition de Tn6237 qui est capable de transférer un fragment plasmidique de 20 kb dans différents sites du chromosome de E. coli. Les souches K. pneumoniae produisant OXA-48 n’appartenaient pas aux génotypes capsulaires hautement virulents K1 et K2, mais portaient des facteurs identifiées pour favoriser la virulence ou la colonisation de l’hôte. OXA-48 a été observée dans tous les phylogroupes de E. coli, y compris les phylogroupes B2 et D connus pour contenir les souches pathogènes extra-intestinales. Une souche se distinguait par une accumulation sans précédent de huit îlots de pathogénicité. Cette souche induisait une létalité inhabituellement élevée dans un modèle murin de sepsis. En conclusion, l’acquisition du gène blaOXA-48 est donc liée à la diffusion de plasmides apparentés, qui sont marqués par une plasticité conduisant à une localisation chromosomique du gène pouvant favoriser sa persistance. Elle conduit à une diffusion multi-clonale de souches K. pneumoniae et surtout E. coli potentiellement hautement virulentes. Cette association entre de l’espèce E. coli et la carbapénèmase OXA-48 est inquiétante, car E. coli constitue à la fois un réservoir dont la taille peut être considérable et un pathogène responsable d’infections fréquentes pouvant parfois mettre en jeu le pronostic vital. / In the β-lactam family, carbapenems are the most effective antimicrobial agents used as a last resort due to their stability toward most resistance mechanisms. However, we recently observed the emergence of carbapenemase-producing Enterobacteriaceae. The aim of the present study consisted to explore (i) the epidemiological situation of carbapenem-resistant Enterobacteriaceae isolated in North Lebanon between 2008 and 2012, (ii) the identification of the resistance mechanisms, and (iii) the characterization of pathogenicity and genetic background of the corresponding strains. We observed a 4-fold increase in the prevalence of Enterobacteriaceae exhibiting decreased susceptibility or resistance to carbapenems in the clinical isolates collected at hospital during 2008-2012. The prevalence of fecal carriage of carbapenemase-producing Enterobacteriaceae was estimated to 1.5% in healthy children of the community. OXA-48 was the only carbapenemase identified among non-redundant isolates which spread to seven species. E. coli and K. pneumoniae were the main represented species. The OXA-48-encoding gene (blaOXA-48) was carried by three novel IncL/M plasmids of 49 kb, 63 kb and 84 kb. However, 67% of E. coli strains encoded blaOXA-48 chromosome-mediated. The sequencing of the previously mentioned genetic structures by high -throughput approaches showed that they are the product of genetic rearrangements involving the Tn21-like transposon, the insertion sequence IS1R and a novel composite transposon designed Tn6237. The chromosomal insertion of blaOXA-48 was due to the acquisition of element Tn6237 leading consequently to the transposition of 20 kb plasmid fragment into different sites of E. coli chromosome. The pathogenicity profile of K. pneumoniae strains showed that they did not belong to highly virulent capsular genotypes K1 and K2, but harbored factors promoting virulence and host colonization. E. coli isolates belonged to different phylogroups, including phylogroups B2 and D known to contain the extra-intestinal pathogenic strains. An E. coli strain was characterized by a broad accumulation of pathogenicity islands (n=8). In addition, this strain induced an unusually high lethality in a mouse model of sepsis. In conclusion, the acquisition of the blaOXA-48 gene is linked to the spread of related IncL/M plasmids, which are marked by a plasticity leading to a chromosomal location of blaOXA-48 and probably promoting its persistence. It leads to a multiclonal diffusion of K. pneumoniae and especially E. coli potentially highly virulent. This association between E. coli and the carbapenemase OXA-48 is worrying because E. coli represent a putative important reservoir and a pathogen agent responsible for frequent infections that can be a life threatening.

Circadianes und Stress-System sind zwei physiologische Systeme, die dem Organismus helfen sich an Veränderungen ihrer Umwelt anzupassen. Während letzteres spontane und schnelle Antworten auf akute, unvorhersehbare Umweltreize liefert, sagt das circadiane System täglich wiederkehrende Ereignisse vorher and bereitet den Organismus so vorzeitig auf diese nahende Umweltveränderung vor. Dennoch, trotz dieser unterschiedlichen Reaktionsmechanismen agieren beide Systeme nicht komplett autonom. Studien der vergangen Jahre belegen vielmehr eine Interaktion beider Systeme. So postulieren sie zum einem Unterschiede in der Stressantwort in Abhängigkeit von der Tageszeit zu der der Reiz auftritt und weisen zugleich auf eine Zunahme von gestörten biologischen Tagesrhythmen, wie zum Beispiel Schlafstörungen, in Folge von unkontrollierten oder exzessiven Stress hin. Ebenso liefern kürzlich durchgeführte Studien an Vertebraten und Pilzen Hinweise, dass mit p38, eine Stress-aktivierte Kinase, an der Signalweiterleitung zur inneren Uhr beteiligt ist (Hayashi et al., 2003), sogar durch dieses endogene Zeitmesssystem reguliert wird (Vitalini et al., 2007; Lamb et al., 2011) und deuten damit erstmals eine mögliche Verbindung zwischen Stress-induzierten und regulären rhythmischen Anpassungen des Organismus an Umweltveränderungen an. Molekulare und zelluläre Mechanismen dieser Verknüpfung sind bisher noch nicht bekannt. Während die Rolle von p38 MAPK bei der Stress- und Immunantwort in Drosophila melanogaster gut charakterisiert ist, wurden Expression und Funktion von p38 in der inneren Uhr hingegen bislang nicht untersucht. Die hier vorliegende Arbeit hatte daher zum Ziel mittels immunhistochemischer, verhaltensphysiologischer und molekularer Methoden eine mögliche Rolle der Stress-aktivierten Kinase im circadianen System der Fliege aufzudecken. Antikörperfärbungen sowie Studien mit Reporterlinien zeigen deutliche Färbesignale in den s-LNv, l-LNv und DN1a und erbringen erstmals einen Nachweis für p38 Expression in den Uhrneuronen der Fliege. Ebenso scheint die Aktivität von p38 MAPK in den DN1a uhrgesteuert zu sein. So liegt p38 vermehrt in seiner aktiven Form in der Dunkelphase vor und zeigt, neben seiner circadian regulierten Aktivierung, zusätzlich auch eine Inaktivierung durch Licht. 15-Minuten-Lichtpulse in der subjektiven Nacht führen zu einer signifikanten Reduktion von aktivierter, phosphorylierter p38 MAPK in den DN1a von Canton S Wildtypfliegen im Vergleich zu Fliegen ohne Lichtpuls-Behandlung. Aufzeichnungen der Lokomotoraktivität offenbaren zusätzlich die Notwendigkeit von p38 MAPK für wildtypisches Timing der Abendaktivität sowie zum Erhalt von 24-Stunden-Verhaltensrhythmen unter konstanten Dauerdunkel-Bedindungen. So zeigen Fliegen mit reduzierten p38 Level in Uhrneuronen einen verzögerten Beginn der Abendaktivität und stark verlängerte Freilaufperioden. In Übereinstimmung mit Effekten auf das Laufverhalten scheint darüber hinaus die Expression einer dominant-negativen Form von p38b in Drosophila’s wichtigsten Uhrneuronen eine verspätete nukleäre Translokation von Period zur Folge zu haben. Westernblots legen zusätzlich einen Einfluss von p38 auf den Phosphorylierungsgrad von Period nahe und liefern damit einen mögliche Erklärung für den verspäteten Kerneintritt des Uhrproteins. Abschließende Stützung der Westernblotergebnisse bringen in vitro Kinasenassays und deuten auf p38 als eine potentielle „Uhrkinase“ hin, welche auch in vivo Period an Serin 661 sowie weiteren potentiellen Phosphorylierungsstellen phosphorylieren könnte. Zusammengenommen deuten die Ergebnisse der hier vorliegenden Arbeit eindeutig auf eine bedeutende Rolle von p38, neben dessen Funkion im Stress-System, auch im circadianen System der Fliege hin und offenbaren damit die Möglichkeit, dass p38 als Schnittstelle zwischen beider Systeme fungiert. / The circadian and the stress system are two distinct physiological systems that help the organism to adapt to environmental challenges. While the latter elicits reactive responses to acute environmental changes, the circadian system predicts daily occurring alterations and prepares the organism in advance. However, despite of these differences both responses are not mutually exclusive. Studies in the last years obviously prove a strong interaction between both systems showing a strong time-related stress response depending on the time of day of stressor presentation on the one hand and increased disturbances of daily rhythms, like sleep disorders, in consequence of uncontrolled or excessive stress on the other. In line with this fact, recent studies in vertebrates and fungi indicate that p38, a stress-activated Kinase, is involved in signaling to the circadian clock (Hayashi et al., 2003) and in turn is additionally regulated by this timekeeping system (Vitalini et al., 2007; Lamb et al., 2011) providing an interesting link between stress-induced and regularly rhythmic adaptations of the organism to environmental changes. However, little is known about molecular and cellular mechanisms of this interconnection. In Drosophila melanogaster the role of p38 MAPK is well characterized in terms of immune and stress response, p38 expression and function in the circadian clock has not been reported so far. Therefore, the present thesis aimed to elucidate a putative role of the stress-activated Kinase in the fly’s circadian system using an immunohistochemical, behavioral as well as molecular approach. Surprisingly, for the first time antibody as well as reporterline studies cleary prove p38 expression in Drosophila clock neurons showing visible staining in s-LNvs, l-LNvs and DN1as. Moreover p38 MAPK in DN1as seems to be activated in a clock-dependent manner. p38 is most active under darkness and, besides its circadian activation, additionally gets inactivated by light. 15 minutes light pulse applied during the dark phase lead to a significant reduction in phosphorylated and activated p38 MAPK in Canton S wildtype flies compared to flies without light pulse treatment. In addition, locomotor activity recordings reveal that p38 is essential for a wild-type timing of evening activity and for maintaining ~24h behavioral rhythms under constant darkness. Flies with reduced p38 activity in clock neurons show delayed evening activity onsets and drastically lengthened the period of their free-running rhythms. In line with these effects on locomotor behavior, the nuclear translocation of the clock protein Period is significantly delayed on the expression of a dominant-negative form of p38b in Drosophila’s most important clock neurons. Western Blots reveal that p38 affects the phosphorylation degree of Period, what is likely the reason for its effects on nuclear entry of Period. In vitro kinase assays additionally confirm the Western Blot results and point to p38 as a potential “clock kinase” phosphorylating Period at Serin 661 and putative phosphorylation sites. Taken together, the results of the present thesis clearly indicate a prominent role of p38 in the circadian system of the fly besides its function in stress-input pathways und open up the possibility of p38 MAPK being a nodal point of both physiological systems.