Tesis presentada para optar al grado de Doctor en Bioquímica / El Síndrome de Down se define como un desorden del desarrollo causado por la presencia de una copia extra del cromosoma 21, que va acompañado de anomalías multisistémicas principalmente a nivel del sistema nervioso central, generando una discapacidad cognitiva. Se ha descrito que el gen dscam, que codifica para la Molécula de Adhesión Celular del Síndrome de Down (DSCAM), presente en el cromosoma extra, actúa como una molécula de adhesión en el establecimiento y maduración de sinapsis y formación de nuevas redes neuronales a través de quinasas relacionadas directamente en procesos fisiológicos neuronales denominadas PAKs. Estas juegan un rol central en los mecanismos de señalización celular mediante LIMK1, la cual a su vez regula a Cofilina que reordenan el citoesqueleto en particular los filamentos de actina. En esta tesis se trabajó con líneas neuronales trisómicas de corteza cerebral de fetos de ratones Ts16, llamada CTb, y líneas control derivadas de un ratón normal de la misma camada llamada CNh, donde se desconocía la relación DSCAM-PAK sobre parámetros morfológicos neuronales. En este trabajo hipotetizamos que el aumento en la expresión de la proteína DSCAM en la línea celular CTb, en comparación con la línea normal CNh, produce una hiperactivación de PAK y sus efectores río abajo en la vía de señalización, lo que se traduce en una disminución del número y longitud de neuritas. El objetivo general fue determinar los niveles de expresión del gen dscam y su acción sobre la activación de PAK, analizando parámetros morfológicos en la línea neuronal CTb, utilizando como control a la línea CNh. Los objetivos específicos fueron: 1) Cuantificar los niveles de expresión de DSCAM. 2) Estudiar parámetros morfológicos, número y longitud de neuritas. 3) Determinar el nivel de expresión de las proteínas PAK y su estado de activación. 4) Determinar la activación de blancos moleculares río abajo de la vía PAK como LIMK1 y Cofilina. Se encontró en la línea CTb: 1) Un aumento en la expresión de DSCAM en comparación a la línea CNh, en condiciones basales de proliferación y diferenciación celular. 2) Menor complejidad neuronal, en cuanto al número y largo de sus neuritas en comparación a la línea normal. El knockdown para DSCAM en la línea CTb revirtió de manera parcial el fenotipo normal observado en CNh. 3) Las quinasas PAK se expresan de manera similar en ambas líneas celulares, con una mayor activación temporal de PAK1 en la línea CTb con respecto a CNh, tras activar DSCAM a través de su ligando específico, Netrina. La reducción de los niveles de DSCAM en la línea CTb a niveles comparables a aquellos de CNh, revierten la mayor activación de PAK1 inducida por Netrina. 4) Al igual que la activación temporal de LIMK1 y Cofilina. En conclusión, en esta tesis se demuestra que DSCAM se encuentra sobrexpresado en la condición trisómica, lo que lleva a una mayor sensibilidad de efectores transduccionales de la vía PAK, traduciéndose finalmente en una menor capacidad de extensión de procesos. Por lo tanto, en este trabajo identificamos un circuito regulador clave dentro de la patología del Síndrome de Down, donde PAK juega un rol relevante como potencial blanco terapéutico específico / Down syndrome is defined as a developmental disorder caused by the presence of an extra copy of chromosome 21, which is accompanied by multisystem anomalies mainly in the central nervous system, which translates into a feature cognitive impairment. A gene that has many implications for development is dscam, which encodes for the Down Syndrome Cell Adhesion Molecule (DSCAM), which is present in the triplicated chromosome and acts as an adhesion molecule in the establishment and maturation of synapses, formation of new neural networks through kinases called p21-activated kinases (PAKs). PAKs play a central role in cell signaling mechanisms by LIMK1, which in turn regulates Cofilin, that reorganizes the cytoskeleton in particular by governing actin filament dynamics. In this thesis, we worked with trisomic neural lines from cerebral cortex of fetal Ts16 mice, called CTb, and control lines derived from the same tissue of a euploid littermate called CNh, where DSCAMPAK relationship on neural morphological parameters was unknown. In this work we hypothesized that the increased expression of DSCAM protein in the cell line CTb, compared to that of the normal line CNh, produces a hyperactivation of PAK and its effectors downstream in the signaling pathway, resulting in a decreased number and length of neurites. The overall objective was focused on determining the expression levels of dscam gene and its effect on the activation of PAK, in terms of morphological parameters regulating the latter, in neuronal line CTb using as controls CNh line. The specific objectives were: 1) Quantification of DSCAM expression levels. 2) Study of morphological parameters, number and length of neurites. 3) Determination of the expression levels PAK proteins and their activation state; and 4) to determine the activation of downstream molecular targets of the PAK pathway, LIMK1 and Cofilin. We found in line CTb: 1) An increase in the expression of DSCAM, compared to the CNh line at both basal proliferation and differentiation conditions. 2) Exhibits lower neuronal complexity by Sholl analysis, expressed in a reduced number as well as length of their neurites compared to the normal line. DSCAM knockdown, partially reversed to the normal phenotype observed in CNh cells. 3) PAK kinases were expressed similarly in both cell lines, but there is a greater temporal PAK1 activation in CTb line compared to on CNh cells, in response to DSCAM activation by its specific ligand Netrin. Upon knockdown-induced reduction of DSCAM levels in the CTb to levels comparable to those of CNh cells, the Netrin-induced activity of PAK1 is reduced to levels similar to those of CNh. 4) Similarly to the temporal activation way of LIMK1 and Cofilin. In conclusion, this thesis shows that DSCAM is overexpressed in the trisomic condition, which in turn leads to an increased translational activation of effectors of PAK pathway, finally resulting in a lower capacity to extend processes. Therefore, we have identified a specific key regulator circuit in Down Syndrome pathology, where PAK could play an important role as a potential therapeutic target / Conicyt; Fondecyt / 31 de diciembre de 2017

Memoria para optar al título de Químico Farmacéutico / El corazón está constituido por numerosos tipos celulares, de los cuales el 90% corresponde a cardiomiocitos y fibroblastos. Los fibroblastos representan dos tercios de la población celular del corazón y están encargados principalmente del recambio de las proteínas de la matriz extracelular. Estas células tienen la capacidad de responder a una variedad de citoquinas, factores de crecimiento y expresan sus receptores indicando que pueden responder de manera autocrina; y por la acción de TGF-1, se diferencian a miofibroblastos, un fenotipo celular altamente secretor de colágeno y principal encargado del proceso de cicatrización. Por otro lado, existen numerosos antecedentes que demuestran que en fibroblastos cardiacos, la activación de las vías de transducción que conducen al aumento del AMPc contribuye a la reducción de la fibrosis cardiaca, por regular procesos antifibróticos entre ellos disminuir la adhesión, migración y la diferenciación a miofibroblasto. Recientemente se ha descrito en la literatura a la proteína EPAC-1 (del acrónimo exchange protein activated directly by cAMP), quien a través de las GTPasas pequeñas Rap 1 y Rap 2 modula secreción de colágeno y migración. Sin embargo, no existen antecedentes de si EPAC-1 regula en fibroblastos y miofibroblastos cardiacos la adhesión y migración celular; y la contracción de geles de colágeno. Por lo anterior, en este trabajo se estudió los niveles de expresión de EPAC-1 en fibroblastos y miofibroblastos cardiacos, y si EPAC-1 regula los procesos antes mencionados. Para ello, se utilizaron estímulos que aumentan el AMPc (forskolina e isoproterenol) y el agonista directo de EPAC-1 Me-AMPc. Nuestros resultados mostraron que en fibroblastos cardiacos forskolina y Me-AMPc aumentaron la adhesión celular, y este efecto fue menor con isoproterenol; mientras que en miofibroblastos se observó un aumento en la adhesión sólo con el agonista de la EPAC-1. Por otro lado, forskolina, isoproterenol y Me-AMPc, inducen una mayor migración de fibroblastos, mientras que en miofibroblastos no se observaron efectos con esos estímulos. Finalmente, en fibroblastos cardiacos no se observaron efectos sobre la contracción de geles de colágeno. Conclusión: EPAC regula diferencialmente la adhesión y migración de fibroblastos y miofibroblastos cardiacos, indicando que participa de manera muy importante en procesos asociados al remodelamiento cardiaco / The heart is composed of many cell types, of which 90% were cardiomyocytes and fibroblasts. Fibroblasts represent two thirds of the heart cell population and are mainly responsible for the turnover of extracellular matrix proteins. These cells have the capacity to respond to a variety of cytokines, growth factors and express their receptors indicating that they can respond in an autocrine manner; and by the action of TGF-1, they are differentiated into myofibroblasts, a cellular phenotype highly secreting of collagen and main cell involved of the healing process. On the other hand, there are numerous reports that show that in cardiac fibroblasts, the activation of signal transduction pathways leading to increased cAMP levels contributes to the reduction of cardiac fibrosis by regulating profibrotic processes including adhesion, migration and myofibroblastic differentiation. Recently has been described the protein EPAC-1 (exchange protein activated by cAMP), who through the small GTPases Rap 1 and 2, modulates secretion of collagen and migration. However, there is no data on whether EPAC-1 regulates cardiac fibroblasts and myofibroblasts adhesion and migration, and contraction of collagen gels. Therefore, in this work we studied in cardiac fibroblasts and myofibroblasts the expression levels of EPAC-1, and if EPAC-1 regulates the above mentioned processes. To do this, we used stimuli that increase cAMP (forskolin and isoproterenol) and direct agonist of EPAC-1 (Me-cAMP). Our results showed that in cardiac fibroblasts Me-cAMP and forskolin increased cell adhesion, and this effect was less with isoproterenol, while in myofibroblasts showed an increased adhesion only with the agonist of EPAC-1. Furthermore, forskolin, isoproterenol and Me-cAMP, induced an increased migration of fibroblasts, myofibroblasts whereas no effects were observed with these stimuli. Finally, cardiac fibroblasts showed no effects on collagen gel contraction. Conclusion: EPAC differentially regulates adhesion and migration of cardiac fibroblasts and myofibroblasts, indicating that it play an important role in processes associated with cardiac remodeling

Memoria para optar al título de Químico Farmacéutico / Una consecuencia común de las enfermedades cardiovasculares es la remodelación cardíaca, que se caracteriza por cambios en el tamaño, forma y función del corazón. El infarto agudo al miocardio es la causa más común que desencadena un proceso de remodelado. El daño causado por el proceso isquémico conduce a la activación de receptores de reconocimiento de patrones moleculares asociados a daño (PRR), y de mediadores celulares y humorales de la respuesta inflamatoria en el tejido. En relación a esto, se ha reportado que el receptor tipo toll-4 (TLR-4), un tipo de PRR, tiene un papel clave en la función cardiaca luego de un infarto, mientras que el aumento en la expresión de las moléculas de adhesión intercelular 1 (ICAM-1) y vascular 1 (VCAM-1), en el tejido cardiaco se ha asociado a una mayor adhesión e infiltración leucocitaria y a un mal pronóstico de la función cardiaca. En fibroblastos cardiacos (FC) se ha demostrado que TLR-4 reconoce patrones moleculares asociados a daño y que su activación conduce a la secreción de citoquinas proinflamatorias, sin embargo los efectos sobre la expresión de moléculas de adhesión no han sido determinados. En esta memoria se estudió el rol del TLR-4 en la expresión ICAM-1 y VCAM-1 en FC de rata adulta e indagó las vías de señalización involucradas en dicha expresión. El tratamiento con lipopolisacárido (LPS) 1 μg/mL aumentó los niveles de ICAM-1 y VCAM-1 de manera tiempo dependiente, observándose en cada caso un aumento significativo a las 24 hrs. Por otra parte, LPS aumentó de forma temprana la fosforilación de NF-κB, ERK1/2, y JNK, mientras que p-38 y Akt sólo mostraron una tendencia a aumentar a partir de los 5 min. La utilización de los inhibidores TAK-242, PD98059 y SP600125, revirtieron el aumento en los niveles de ambas proteínas, mientras que los inhibidores BAY117085, LY294002 y SB202190 no lo los revirtieron. En resumen, nuestros resultados demostraron que la activación del TLR-4 en FC, gatilla un aumento en los niveles de ICAM-1 y VCAM-1 a través de las vías de señalización ERK1/2 y JNK / The cardiac remodeling is a common consequence of the ECV, and is characterized by changes in the size, shape and function. Moreover the acute myocardial infarction is the most common cause of remodeling. The damage caused by the ischemic process leading to activation of pattern recognition receptors (PRR), and humoral and cellular mediators of the inflammatory response in the tissue. In regards to this Toll like receptor-4 (TLR-4) has been described has a key mediator of cardiac function after myocardial infarction, while the increase in intercellular adhesion molecule 1 (ICAM-1) and vascular cell adhesion molecule 1 (VCAM-1) in cardiac tissue has been linked to increased adhesion and leukocyte infiltration and poor prognosis of cardiac function. In cardiac fibroblast TLR4 is capable to recognize danger associated molecular patterns and release pro-inflammatory cytokines, however their role in ICAM-1/VCAM-1 expression remain unknown. In this study we have determined the ability of TLR-4 to increased ICAM-1/VCAM-1 protein level in adult rat cardiac fibroblast and investigated the potential mechanisms underlying this induction. Treatment with LPS 1 μg/ml resulted in a time-dependent increased of ICAM-1 / VCAM-1 protein level. Furthermore, NF-κB, ERK1/2 and JNK were rapidly phosphorylated by LPS, while p-38 and Akt showed a tendency to increase from 5 min. We also found that inhibition of ERK1/2 and JNK pathways prevented LPS–induced ICAM-1 and VCAM-1 protein level, whereas NF-κB, p-38 and Akt inhibition did not. In summary, these findings demonstrate that the increased ICAM-1/VCAM-1 protein level by TLR-4 activation is regulated via the ERK1/2 and JNK pathways, in cultured cardiac fibroblasts / Fondecyt FONDAP ACCDiS

Doctor en Bioquímica / Las enfermedades cardiovasculares corresponden a la principal causa de muerte. En un corazón normal, insulina promueve incorporación de glucosa y su utilización estimulando la glicolisis, y estimulando la síntesis de proteínas. Por otro lado, durante isquemia/reperfusión, insulina promueve cardioprotección. Sin embargo, todos los estudios se han enfocado en estudiar el rol de insulina durante la reperfusión; por lo tanto, los efectos de esta hormona son desconocidos durante la isquemia. Además, antecedentes sugieren que el factor transcripcional NF-κB podría ser protector durante isquemia. NF-κB, controla una variedad de procesos antiapoptóticos, inflamatorios y de adhesión celular, entre otros. Una proteína controlada tanto por insulina como por NF-κB, en células endoteliales, es VCAM-1. Esta proteína es importante para el desarrollo del corazón y la diferenciación muscular. Por lo tanto, se estudiaron el rol de NF-κB y VCAM-1 y su regulación por insulina en el cardiomiocito isquémico. Para probar esto, cardiomiocitos neonatos fueron sometidos a isquemia simulada (IS) por 8 horas en ausencia o presencia de insulina 10 nM en combinación de diferentes tratamientos (inhibición de AKT mediante AKTi VIII, inhibición de NF-κB por BAY 11-7082 y reducción de VCAM-1 por siRNA). Los efectos protectores de insulina fueron evaluados mediante conteo celular, actividad LDH presente en el medio, fragmentación del DNA. Insulina protegió frente a isquemia, disminuyendo la necrosis y apoptosis durante IS. La presencia de los inhibidores AKTi VIII y BAY 11-7082 redujeron los efectos protectores de insulina. El silenciamiento de VCAM-1 también inhibió los efectos protectores de insulina en IS. Además, el silenciamiento de VCAM-1 resultó en aumento en la activación de AKT durante IS y menos respuesta frente la presencia de insulina. Estos resultados sugieren que insulina reduce la necrosis de los cardiomiocitos a través de la activación de AKT y NF-κB. Más aún, VCAM-1 estaría regulando este rol protector de insulina durante IS a través de la regulación de AKT. Estos hallazgos aportan a clarificar el rol protector de insulina durante isquemia, y su posible utilización durante cirugías y trasplante de corazón. Finalmente, estos resultados dejan a la luz un nuevo rol de VCAM-1 en la señalización de insulina y apoyan la idea que activación de AKT no siempre es sinónimo de cardioprotección / In Chile and worldwide cardiovascular diseases are the major causes of death. In the normal heart, insulin promotes glucose uptake and its utilization via glycolysis, regulates long-chain fatty acid uptake and protein synthesis. On the other hand, during ischemia/reperfusion, insulin promotes cardioprotection. Nevertheless, all studies have focused on insulin effects during reperfusion. Moreover, the transcription factor NF-κB seems to be protective against ischemia. VCAM-1 is a protein regulated by both insulin and NF-κB. Therefore, we explored the cardioprotective action of insulin and the role of AKT, NF-κB and VCAM-1 on the protective role of this hormone during ischemia. To test this, cultured neonatal rat cardiomyocytes were exposed to simulated ischemia by 8 hours in the absence or presence of insulin in combination with different treatments (AKT inhibition by AKTi VIII, NF-κB inhibition by BAY 11-7082 and VCAM-1 reduction by siRNA transfection). Cytoprotective effects of insulin were measured by cell count, LDH release and DNA. We found that insulin protected against simulated ischemia. Moreover, insulin protected cardiomyocytes from simulated ischemia by reducing necrotic cell death. Protective effects of insulin were dependent of AKT and NFκB. Additionally, silence of VCAM-1 inhibited insulin protection against simulated ischemia. We found that VCAM-1 silencing resulted in an AKT overactivation and less insulin response. These results show that insulin reduces ischemia-induced cardiomyocyte necrosis through an AKT and NF-κB dependent mechanism. Moreover, VCAM-1 regulates this protective role of insulin during ischemia. These novel findings clarify the role of insulin during ischemia and propose a new function of VCAM-1 as an insulin signaling regulator / Conicyt, Fondap, Fondecyt, Nemesis

Memoria para optar al Título Profesional de Químico Farmacéutico / Los fibroblastos cardíacos (FC) se encargan de mantener tanto la estructura como la mecánica y la señalización del corazón. A estas células se les conoce como células centinela, pues responden de manera variada y compleja a fin de mantener la homeostasis, jugando un rol clave dentro de este proceso. Dicha respuesta se lleva a cabo mediante una maquinaria conformada por una amplia red de receptores, entre ellos los receptores tipo-toll y, en particular, el TLR4 (del inglés toll like receptor 4). Este receptor presenta patrones de reconocimiento que le permite responder a diversos ligando, los que pueden ser exógenos como el lipopolisacárido bacteriano (LPS) o endógenos como el heparan sulfato (HS). Ambos estímulos han mostrado mediar respuestas inflamatorias y fibróticas tanto en FC, como en otros tejidos. Sin embargo, en esta memoria se abordará específicamente el rol de HS como estímulo desencadenante de estas respuestas. Como modelo experimental se usaron FC de ratas neonatas y adultas (FCN y FCA). Estudios previos demuestran que, en FC, LPS modifica los niveles proteicos de la citoquina pro inflamatoria IL-1β, así como de proteínas de adhesión celular y vascular (ICAM-1 y VCAM-1, respectivamente) y de la proteína alfa actina del músculo liso (α-SMA). Esta última proteína constituye un marcador de diferenciación de fenotipo FC-MFC (miofibroblasto cardíaco), que se expresa en estados patológicos, como ocurre luego de un infarto cardíaco. Para el caso de HS existe evidencia que indica que es un agonista del TLR4, pero no se han medido las variaciones de IL-1β, ICAM-1, VCAM-1 ni de α-SMA a nivel cardíaco; siendo uno de los objetivos del presente trabajo demostrar si esto ocurre. Para despejar tal interrogante se medirán los niveles de las proteínas mencionadas. También se evaluarán las vías de señalización PI3K/Akt, Erk1/2 y NF-κB de TLR4, comparando efectos inducidos por LPS y HS, a fin de comprobar si el aumento de VCAM-1 y la disminución de α-SMA en FC, es mediada por alguna de estas vías de señalización que involucran al receptor. En conclusión, en FCN y FCA, tanto HS como LPS inducen cambios en los niveles proteicos de IL-1β, ICAM-1, VCAM-1 y α-SMA, lo que resalta las propiedades proinflamatorias y antifibróticas de ambos estímulos tras la activación de TLR4 / Heart structure, mechanism and signaling is supported by cardiac fibroblast (CF). These cells are named sentinel cells, because they respond in complex and different manner to mantein homeostasis, playing a key role in this process. This action is due to a mechanism that involves a bread spectrum of receptors, including the toll like receptors especially TLR4 (toll like receptor 4). This receptor has recognition patterns, wich allow to answer to several stimulus, like bacterian lipopolysaccharide (LPS) and heparan sulphate (HS), exogenous and endogenous stimulus respectively. Both of them has shown to mediate fibrotics and inflamatories reponses, in CF and others tissues. However, in this study we will present the HS responses in adults and neonates animal fibroblasts (ACF and NCF). According to literature, in CF, LPS changes on IL-1β levels, a proinflamatory citoquine; ICAM-1 y VCAM-1 (intercellular and vascular adhesion molecule) and finally the α-SMA protein (α-smoth muscle actin), responsible for cardiac tissue integrity and main fibroblast-myofibroblast differentiation master, expressed in pathological stage, such as heart infarct. In relation with HS, there is evidence that it is a TLR4 agonist, but IL-1β, ICAM-1, VCAM-1 and α-SMA variations has not been determinated. In this work we will perform these experiments. Besides the analysis of these proteins, we will study the PI3K/Akt, ERK1/2 and NF-κB signaling pathways implicated in the VCAM-1 increase and α-SMA decrease in ACF, via TLR4, as well as the receptor blockade in order to demostrate if these effects are mediated by this receptor, by comparing the effects of HS and LPS. In conclusion, as HS as LPS induced changes in IL-1β, ICAM-1, VCAM-1 and α-SMA protein levels, in NCF and ACF. Therefore the antifibrotics and proinflamatories properties of the two stimulus after the activation of TLR4 are demonstrated