El análisis del metaboloma presenta multitud de aplicaciones en el estudio de los sistemas biológicos debido a la disponibilidad actual de técnicas analíticas. En la presente memoria, se ha desarrollado una plataforma de perfil metabólico que incluye: la paralización del metabolismo celular (quenching), la extracción de los metabolitos intracelulares, el análisis cualitativo/cuantitativo de los metabolitos y el procesamiento de datos. Debido a que diversos metabolitos son extremadamente lábiles, se validó el protocolo de extracción de los mismos. Los resultados mostraron que el NADP(H), NAD(H),glutatión (GSH y GSSG), y la relación de AcetilCoA/CoA, se alteraban al incluir la liofilización en el proceso o el metanol/agua como disolvente de extracción. En consecuencia, el protocolo basado en ACN/CHCl3 resultó ser el más eficiente y se aplicó en el estudio de diversos sistemas biológicos (Capítulos 2-5). En el Capítulo 2, se aplicó el análisis metabólico para el estudio de los mecanismos de resistencia a la quimioterapia. Se determinaron 21 metabolitos por LC-UV en las líneas celulares: L1210 (sensible a daunomicina, DNM), L1210R (resistente a múltiples fármacos) y CBMC-6 (expresa la glicoproteína P, P-gp), antes y después de la exposición a DNM. L1210R y CBMC-6 presentaron 5 y 2 veces, respectivamente, la concentración de GSH con respecto a L1210, lo cual se correlacionó con la alta supervivencia de estas células durante la exposición a DNM. Además, las relaciones NADH/NAD+, AcCoA/CoA, la carga energética (AEC), entre otros, resultaron mayores en L1210R que en L1210. Curiosamente, las células CBMC-6 presentaron un comportamiento intermedio entre las otras dos, posiblemente debido a la presencia de la P-gp. En el capítulo 3, se analizó el metaboloma de hígados de ratas con la enfermedad del hígado graso no alcohólico (EHGNA), donde se cuantificaron por LC-MS más de 70 metabolitos. Los resultados mostraron diferentes perfiles metabólicos entre los hígados sanos y con EHGNA, en concordancia con los los biomarcadores clásicos. La alteración metabólica incluyó las moléculas redox (GSH, GSSG, NAD(P)(H)), y otros metabolitos como L-carnitina, CoA y diversos aminoácidos. En el Capítulo 4, se estudiaron los eventos metabólicos que tuvieron lugar en E. coli durante la exposición a altas concentraciones de NaCl durante un tiempo prolongado. Las alteraciones metabólicas intracelulares incluyeron aminoácidos, nucleótidos, metabolitos redox, L-carnitina, fosfato y derivados de CoA. Además, tuvo lugar un descenso muy pronunciado de las concentraciones de los aminoácidos extracelulares en el momento del choque osmótico. Los datos metabólicos se integraron con datos del análisis del transcriptoma por medio del análisis de rutas metabólicas (pathway-based analysis). Entre las vías alteradas se encontraron rutas del metabolismo central así como del GSH, aminoácidos y purinas. Además, se realizó el análisis de flujos metabólicos, mostrando una orientación hacia la síntesis de productos de fermentación, tales como etanol en el caso de NaCl 0.5M y lactato en el caso de NaCl 0.8M. En el Capítulo 5, se estudió la función de la deacetilasa de E. coli (CobB) en quimiostatos con acetato como única fuente de carbono. Se realizó el análisis del metaboloma y transcriptoma, y ambos conjuntos de datos se integraron por medio del análisis de rutas metabólicas. Los resultados obtenidos mostraron que los efectos más notables tuvieron lugar en el metabolismo del azufre y del nitrógeno, sugiriendo que el metabolismo del nitrógeno podría estar directa o indirectamente regulado por la acetilación de proteínas. En conclusión, la metabolómica ha sido utilizada con éxito en la presente Memoria en conjunción con la transcriptómica, la flujómica o biomarcadores clásicos. Asimismo, la cuantificación de cofactores redox, nucleótidos, coenzimas y aminoácidos es sumamente importante para la comprensión global del estado metabólico, siendo clave ATP, GSH, AcCoA, CoA y algunos aminoacidos ya que al menos uno de los mencionados ha resultado alterado en todas las situaciones descritas en esta Tesis a lo largo de los Capítulos 2-5. Además, algunas de las moléculas clave mencionadas como GSH, AcCoA, CoA y también NAD(P)H han resultado ser lábiles durante el proceso de extracción, de modo que es esencial el uso de un protocolo que no altere per se estos metabolitos. / Metabolome analysis is widely used in the study of biological systems due to the affordable analytical techniques currently available. A metabolic profile platform has been carefully developed, including quenching of the cell metabolism, extraction of the intracellular metabolites, qualitative/quantitative analysis and data processing. The metabolic quantification process has been thoroughly validated, including some commonly used steps such as lyophilization, since our results suggested that the ratios NADPH/NADP+, NADH/NAD+, GSH/GSSG and the AcetylCoA/CoA were modified when lyophilization was included in the extraction process or when methanol/water is used as the extraction solvent. To avoid this, a highly efficient extraction protocol based on ACN/CHCl3 was validated with standard mixtures. Then, the metabolome analysis was applied to the study of metabolic alterations in liver tissues or bacterial cultures. In Chapter 2, it is shown how metabolic analysis contributed to the better understanding of the chemotherapy resistance mechanisms. For that purpose, 21 metabolites were determined by LC/UV before and after DNM exposure in different murine cell line cultures: L1210 (sensitive to DNM), L1210R (multidrug-resistance phenotype, MDR) and CBMC-6 (L1210 transfected with the glycoprotein P, P-gp). P-gp is one of the known mechanisms of chemotherapy resistance since it is able to take out the drug outside the cell. The results showed that L1210R and CBMC-6 presented 5 and 2-fold, respectively, the concentrat on of GSH with respect to L1210, which suggest that this metabolite plays a protective role since it was correlated with the high survival percentage of these lines during DNM exposure. Additionally, the NADH/NAD+, AcCoA/CoA, adenylate (AEC), uricilate (UEC) and guanylate (GEC) energy charge ratios were always higher in L1210R than in L1210. Interestingly, CBMC-6 cells presented an intermediate behaviour between the other two due to the presence of the P-gp. In Chapter 3, the metabolome analysis of non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) in rat livers was carried out with more than 70 metabolites being identified and quantified by LC/MS. The metabolic pattern showed clear differences between healthy and NALFD-livers attending to the diet and as assessed by classical biomarkers. Interestingly, the metabolic alteration included not only redox molecules (GSH, GSSG, NAD(P)(H)), as expected, but also other metabolites such as L-carnitine, CoA and amino acids. In Chapter 4, the long-term exposure of E. coli to osmotic stress has been studied from a metabolic point of view, where it was seen that intracellular metabolic levels were highly dependent on the NaCl concentration in the medium. The results obtained pointed to clear alterations in several metabolites, such as intracellular amino acids, nucleotides, redox coenzymes, acetyl phosphate and CoA derivatives. Moreover, the depletion of extracellular amino acids was measured when NaCl was added. These metabolic data were combined with the transcriptomic profile using integration pathway-based analysis, highlighting the main pathways affected, namely, GSH metabolism, glycolysis/gluconeogenesis, amino acid biosynthesis/degradation, purine metabolism, phosphorylative oxidation, and the TCA cycle/glyoxylate shunt. In addition, metabolic flux analysis pointed out a fermentation pattern that depended on the NaCl concentration. In Chapter 5, metabolome analysis was carried out to shed light on the role of the only known deacetylase of E.coli (CobB) in acetate-feeding chemostats. Moreover, transcriptomic analysis was performed and both data sets were integrated by using pathway-based analysis. The results showed the main effects were in both the sulfur and nitrogen pathways, including CoA, taurine, pyrimidines and several amino acid metabolisms, suggested that nitrogen metabolism is directly or indirectly regulated by protein acetylation. To conclude, metabolome analysis can be used in conjuction with other techniques such as transcriptomics, fluxomics or classical experiments. The quantification of redox cofactors, nucleotides, coenzymes and amino acids is highly important for the understanding of the whole metabolic state in biological systems being key metabolites GSH, ATP, AcCoA, CoA and some amino acids since at least one of them has resulted altered in any of the situations described along Chapters 2 to 5. Surprisingly, GSH, AcCoA, CoA and also NAD(P)H concentrations could be altered during the extraction process therefore the use of an appropriate extraction protocol has been proved to be essential.

Tesis por compendio de publicaciones / Zinnia elegans constituye uno de los sistemas modelos más útiles para estudiar la diferenciación en el xilema que incluye la síntesis de la pared celular secundaria, la lignificación de la pared celular, y la muerte celular programada. Además, el cultivo de células del mesófilo de Z. elegans in vitro también se ha utilizado como sistema modelo ya que la diferenciación de las células del mesófilo en traqueidas permite estudiar de manera sencilla la bioquímica y la fisiología de la xilogénesis alejados de la complejidad que imponen los tejidos vegetales. Por otra parte, Z. elegans ha resultado ser una excelente planta modelo para estudiar la implicación de las peroxidasas en la lignificación de la pared celular. Esto es debido a la simplicidad y dualidad del patrón de lignificación mostrado en los tallos e hipocotilos de esta planta y a la naturaleza básica de esta isoenzima de peroxidasa. Sin embargo, esta proteína no solo se expresa en hipocotilos y en tallos sino también en células que se encuentran en diferenciación en traqueidas. Por lo tanto, esta peroxidasa no solo cumple todos los requerimientos catalíticos impuestos para ser la candidata idónea implicada en la lignificación cumpliendo con todas las restricciones impuestas por la etapa de acoplamiento oxidativo de los alcoholes hidroxicinamilicos y polimerización, sino también debido a que su expresión es inherente en la lignificación. De hecho, su naturaleza básica no es excepcional ya que las peroxidasas básicas se expresan diferencialmente durante la lignificación en otros sistemas modelo, mostrando propiedades bioquímicas inusuales y exclusivas tales como la oxidación de las unidades siringilo. Esta Tesis se ha centrado en la realización de las actividades que conducen a un mejor entendimiento de la lignificación en Zinnia, comenzando con el estudio del patrón de lignificación, cómo se sucede este proceso, y la implicación de la peroxidasa, demostrando sus propiedades catalíticas inusuales y cómo esta enzima es regulada por el óxido nítrico (NO) y el H2O2. En relación a la producción de NO y H2O2 en los haces vasculares, utilizando la microscopía confocal láser de barrido, se observó un gradiente espacial de producción de NO inversamente relacionado con el grado de diferenciación del xilema ya que las células del xilema jóvenes, en diferenciación manifestaron una mayor capacidad para producir NO que las células del xilema completamente maduras y diferenciadas. Estos resultados demuestran la fuerte relación entre la producción de NO y la muerte celular programada que se produce durante la diferenciación del xilema y que precede a la lignificación de la pared celular. Además, la producción de NO en los cultivos celulares de mesófilo de Z. elegans que se diferencian a traqueidas, las células del mesófilo mantienen la misma propiedad mostrada por las células del xilema en diferenciación ya que la señal fluorescente se detectó, principalmente, en las células predeterminadas y en las que se encontraban en diferenciación. Por el contrario, las células aisladas del mesófilo que no habían adquirido la capacidad para diferenciarse a traqueidas, manifestaban unos niveles muy débiles de la señal fluorescente que contrastaba con la producción elevada mostrada por las células predeterminadas para diferenciarse a traqueidas. Por otra parte, mediante la utilización conjunta de técnicas de microscopía óptica y electrónica, se realizó un estudio detallado de los sitios de producción de H2O2 en el xilema en lignificación, comprobándose que en las células del xilema en diferenciación y en las células del parénquima adyacentes se localizaba la producción de H2O2 sugiriendo que estas células podrían ser las responsables de la producción de H2O2 que, posteriormente, difunde de célula a célula, a través del espacio intercelular hacia las células del xilema en diferenciación para que tenga lugar la biosíntesis de ligninas en la pared celular secundaria. Una evidencia adicional que apoyó la hipótesis planteada se obtuvo mediante la localización del H2O2 en los cultivos celulares de mesófilo de Z. elegans en diferenciación a elementos traqueales. Utilizando este sistema modelo junto con la microscopía confocal láser y el diacetato de diclorofluoresceína como sonda fluorescente, la producción de H2O2 se localizó mayoritariamente en las células del mesófilo predeterminadas para diferenciarse, detectándose un bajo nivel de H2O2 en las traqueidas completamente diferenciadas. / Zinnia elegans constitutes one of the most useful model systems for studying xylem differentiation, which simultaneously involves secondary cell wall synthesis, cell wall lignification, and programmed cell death. Likewise, the in vitro culture system of Z. elegans has been the best characterized since the differentiation of mesophyll cells into tracheary elements allows study the biochemistry and physiology of xylogenesis free from the complexity that heterogeneous plant tissues impose. Moreover, Z. elegans has resulted in an excellent plant model to study the involvement of peroxidases in cell wall lignification. This has been due to the simplicity and duality of the lignification pattern shown by the stems and hypocotyls, and to the basic nature of the peroxidase isoenzyme. This protein is expressed not only in hypocotyls and stems but also in mesophyll cells transdifferentiating into tracheary elements. Therefore, not only does this peroxidase fulfil all the catalytic requirements to be involved in lignification overcoming all restrictions imposed by the polymerization step, but also its expression is inherent in lignification. In fact, its basic nature is not exceptional since basic peroxidases are differentially expressed during lignification in other model systems, showing unusual and unique biochemical properties such as oxidation of syringyl moieties. This Thesis has focused on the experiments which led to a better understanding of the lignification process in Zinnia, starting with the basic knowledge about its lignin pattern, how lignification takes place, and the involvement of the basic peroxidase in the lignification process, demonstrating its unusual catalytic properties, and how this enzyme is regulated by nitric oxide and H2O2. In relation to the production of NO in the vascular bundles using confocal laser scanning microscopy, a spatial NO gradient inversely related to the degree of xylem differentiation was observed since differentiating xylem cells clearly manifest a higher capacity for NO production than differentiated xylem cells. In addition, the NO production in cultured mesophyll cells which are trans-differentiating in tracheary elements maintain the same property shown by differentiating xylem from the Z. elegans vascular bundles since the fluorescent probe was mainly observed in pro-differentiating thin-walled and differentiating (secondary cell wall forming) tracheary elements. By the contrary, mesophyll cells which have not acquired competence for trans-differentiation showed only background levels of triazolofluorescein green fluorescence. These results confirm that NO formation by tracheary elements is directly related to the early processes of xylem differentiation, which takes place immediately before the late processes of secondary cell wall formation and cell autolysis. On the other hand, a study of both localization and production of H2O2 in the lignifying xylem by the joint use of optical and electronic microscopy and 2,7-dichlorofluorescein diacetate and CeCl3 assays was carried out. Thus, H2O2 production was observed in thin-walled cells surround thick-walled xylem vessels and in the xylem parenchyma cells intercalated between xylem vessels suggesting that these cells could be responsible of H2O2 production and a degree of cell to cell cooperation is produced during lignin biosynthesis. Further evidence that supports this hypothesis was obtained by studying the production and localization of H2O2 during the differentiation of Z. elegans mesophyll cells into tracheary elements. Using this model system and confocal laser scanning microscopy and 2,7-dichlorofluorescein diacetate as fluorescent probe, H2O2 was mainly produced by both differentiating tracheary and parenchyma-like elements being the non-lignifying parenchyma-like cells the main H2O2 source and detecting a low level of H2O2 in the totally differentiated tracheary elements.

Esta Tesis estudia la caracterización de diferentes receptores purinérgicos, principalmente P2X7, en células presentadoras de antígeno de la estirpe mieloide mononuclear fagocítica (monocitos, macrófagos peritoneales y macrófagos derivados de médula ósea). En concreto, se determina como la señalización purinérgica afecta a la diferenciación de los macrófagos, la producción de eicosanoides y de TNF-α, en estados tanto pro-inflamatorias y como de inmunosupresión. Para ello, se emplearon diferentes estímulos celulares; señales de patógenos, principalmente lipopolisacarido (LPS) bacteriano, señal que activa a los macrófagos a través de los receptores tipo toll 4; y señales de daño celular, principalmente ATP y adenosina. Siendo los objetivos concretos de esta Tesis: 1) Estudiar cómo afecta la señalización purinérgica a la diferenciación de los macrófagos; 2) Analizar la relación entre la activación del receptor P2X7 en macrófagos y la producción de eicosanoides; 3) Determinar cómo el receptor P2X7 regula la liberación del factor de necrosis tumoral (TNF)-α en macrófagos extenuados. La metodología empleó macrófagos peritoneales humanos y monocitos de sangre periférica de donantes sanos y pacientes con un proceso séptico severo de origen abdominal; muestras de ratones de la cepa C57BL/6 y deficientes para los receptores a estudio (P2rx7-/- y P2rx4-/-) que se emplearon para estudios tanto in vivo como in vitro. En la mayoría de ensayos se emplearon macrófagos derivados de médula ósea de ratón. Los diferentes macrófagos fueron sometidos a distintos protocolos de estímulo según el objetivo abordado: diferentes dosis de LPS para estudiar la respuesta ante situaciones inflamatorias, o polarización de macrófagos a M1 con LPS e interferon-o a M2 con interleuquina (IL)-4, para en todos los casos estimular con un nucleótido. De los estudios in vitro se analizó la cantidad de IL-1β, TNF-α, prostaglandina (PG) E2, tromboxano A2 y leucotrieno B4 liberada al medio mediante la técnica ELISA, la muerte celular cuantificando la actividad de lactatodehidrogenasa en los sobrenadantes celulares; la viabilidad celular mediante ensayos de reducción meatabólica del bromuro de 3-(4,5- dimetiltiazol-2-ilo)-2,5-difeniltetrazol; la cuantificación de la expresión relativa de los genes que codifican para los diferentes receptores y marcadores citoquímicos de interés, empleando la técnica de PCR-transcriptasa reversa a tiempo real, la cuantificación de marcadores de membrana específicos de macrófagos mediante citometría de flujo, y finalmente la actividad de la enzima convertidora de TNF-α (TACE) y la actividad catepsina B, mediante técnicas fluorométricas. Los estudios in vivo realizados en ratón analizaron la actividad del receptor P2X7 tras la administración intraperitoneal de LPS, cuantificando IL-1β y TNF-α en lavados peritoneales empleando la técnica ELISA, la presencia de ATP extracelular en peritoneo se cuantificó mediante bioluminiscencia, y la medición de la temperatura rectal en un modelo inducido de sepsis mediante una sonda térmica. Resultados y conclusiones: En esta Tesis se demuestra que la señalización purinérgica es capaz de reducir el número de macrófagos diferenciados de médula ósea, resultando en una regulación positiva de ciertos marcadores M2, derivando en un fenotipo específico de macrófago. En los macrófagos maduros, la activación de P2X7 induce la liberación del mediador lipídico PGE2, siendo P2X7 importante en la respuesta febril, un signo clásico asociado con el proceso inflamatorio. Además, la señalización mediante el receptor P2X7 en macrófagos M1 extenuados es capaz de controlar la liberación clásica de TNF-α. Estos resultados tienen implicaciones clínicas, ya que el receptor P2X7 emerge como una diana terapéutica prometedora para la fiebre y su potenciación durante inmunosupresión podría aumentar la inmunidad en los procesos sépticos. / This Thesis studies the characterization of different purinergic receptors, mainly P2X7, analyzing their functions in antigen presenting cells of mononuclear phagocytic myeloid lineage (monocytes, peritoneal macrophages and bone marrow derived macrophages). Precisely, the Thesis determine how purinergic signaling affects macrophage differentiation, eicosanoids and tumor necrosis factor (TNF)-α release, during both proinflammatory and immunosuppressive conditions. Therefore, cells were treated with bacterial products, mainly lipopolysaccharide (LPS), which specifically activates Toll-like receptor 4, and signals of cell damage, mainly ATP and adenosine. Objectives: 1) To study how purinergic signaling affects macrophage differentiation; 2) To analyze the association between the activation of P2X7 in macrophages and the production of eicosanoids; 3) To identify how P2X7 receptor regulates TNF-α release during immune extenuation. Methods: The experiments were performed using peritoneal human macrophages and peripheral blood monocytes of healthy subjects and patients with severe sepsis; mice samples from strain C57BL/6 and the knockout for the genes encoding the receptors to study (P2rx7-/- and P2rx4-/-), these mice were used for both in vivo and in vitro studies. Mice bone marrow derived macrophages were used in almost all the experiments of this thesis. The different macrophages were stimulated with different protocols to address the different objectives: different doses of LPS to mimic inflammatory conditions; LPS and interferon- to polarize macrophages to M1 and with interleukin (IL)-4 to polarize to M2. The amount of IL-1β, TNF-α, prostaglandin (PG) E2, thromboxane A2 and leukotriene B4 released, were measured by ELISA; cell death quantification was measured by the activity of lactate dehydrogenase in cells supernatants; macrophage viability was measured by the metabolic reduction of 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide; relative expression of genes encoding for the desired receptors and markers was quantified by real-time reverse-transcription PCR; the quantification of specific macrophage membrane markers was analyzed by flow cytometry; the converting TNF-α enzyme (TACE) and cathepsin B activity were measured by fluorometric techniques. In vivo mouse studies to study P2X7 receptor activity after intraperitoneal administration of LPS was analyzed by ELISA, measuring IL-1β and TNF-α in peritoneal lavage; detection of extracellular ATP in peritoneum was quantified by bioluminescence; rectal temperature was measured in a sepsis model. Results and Conclusions: this Thesis demonstrates that purinergic signaling is able to reduce the number of differentiated macrophages from bone marrow, which display upregulation of certain M2 markers, resulting in a specific phenotype of macrophage. In mature macrophages, ATP activating P2X7 receptor induces the release of the lipid mediator PGE2, being P2X7 important for the febrile response, a classical signal associated with the inflammatory process. Furthermore, P2X7 receptor signaling in extenuated M1 macrophages is able to control the classical release of TNF-α. These findings have important clinical implications, since P2X7 receptor emerges as a promising target for fever, however its potentiation during immunosuppression could boost immunity in septic processes.

Objetivo: El objetivo general de la presente Tesis Doctoral ha sido profundizar en el conocimiento del sistema circadiano de teleósteos. Para ello se han utilizado cuatro especies, una especie de interés en investigación básica, el pez cebra, y tres especies de interés en acuicultura, la lubina, la dorada y la trucha arcoíris. Metodología: A lo largo de diferentes experimentos, se estudió la influencia de las condiciones de iluminación y de disponibilidad de alimento sobre los distintos ritmos circadianos de teleósteos y sobre la expresión de los principales genes que forman parte de los relojes moleculares. Asimismo, se analizó a nivel molecular la maduración de los relojes moleculares de teleósteos durante las primeras etapas del desarrollo y la influencia de las condiciones lumínicas sobre la funcionalidad de dichas estructuras. Resultados y conclusiones: Los principales resultados y conclusiones obtenidas fueron: - El gen per1 de lubina ha sido clonado y secuenciado. La expresion de este gen mostró un patrón de expresión circadiano, con una acrofase o pico de expresión cercana al final de la noche. - En larvas del lubina, la expresión del gen reloj per1, comienza en etapas tempranas del desarrollo, adquiriendo un patrón circadiano robusto a partir del día 16 post-eclosión bajo un ciclo LD. - El inicio de un patrón rítmico en la expresión de per1 en larvas de lubina requiere de la presencia un ciclo luz/oscuridad durante el desarrollo, permaneciendo arrítmico bajo condiciones constantes de luz u oscuridad. La composición del espectral de la luz utilizada en el ciclo LD, también afecta al comienzo de la expresión rítmica de este gen. - El fotoperiodo afecta a la expresión de los genes reloj durante el desarrollo embrionario de la trucha arcoíris. Bajo un fotoperiodo 12L:12D, se detectó un patrón rítmico de expresión en los genes reloj (per1 y clock) a partir del día 8 post-fertilización, mientras que la expresión rítmica de aanat2 es detectable a partir del día 21. Por el contrario, bajo condiciones constantes de luz, la expresión de los genes reloj es alterada. - Los ritmos de expresión de genes reloj en trucha arcoíris, podrían iniciarse por fotorreceptores aún no identificados, ya que aparecen antes del desarrollo de los fotorreceptores clásicos (pineal y retina), y no se observan bajo condiciones constantes. - Los peces cebra sometidos a alimentación periódica muestran una actividad anticipatoria al alimento, que se manifiesta como un aumento de la actividad locomotora en las horas previas a la hora de alimentación. - En pez cebra, el oscilador sincronizado por el alimento parece localizarse fuera del cerebro. - La alimentación aleatoria afecta a los ritmos de comportamiento en dorada provocando un aumento de los niveles diarios de actividad locomotora, mientras que la alimentación periódica provoca un incremento de la actividad locomotora en la las horas previas a la hora de la alimentación (FAA), mostrando un nivel de actividad diaria total menor. - En Dorada, la alimentación periódica mejora el bienestar animal y el crecimiento. Cuando los animales no pueden predecir la llegada del alimento aumentan los niveles de indicadores de estrés, como el cortisol y glucosa plasmáticos. Además, esta situación afecta al crecimiento, al menos a corto plazo. Estos resultados contribuyen al avance del conocimiento sobre sistema circadiano de teleósteos y ponen de manifiesto la importancia de las condiciones ambientales para el correcto desarrollo y funcionamiento del sistema circadiano, así como la influencia de este sistema sobre la fisiología global del todo el organismo. / Aims: The aim of this Doctoral Thesis is to improve our knowledge on the circadian system in teleosts. To this end, four species have been used: one species of interest in basic research, the zebrafish, and three species of interest in aquaculture, the bass, the sea bream and the rainbow trout. Methods: Throughout the different experiments, the influence of lighting conditions and food availability on the different circadian rhythms in teleosts, and on the expression of the principal genes which form part of the molecular clock, was studied. The maturation of the molecular clock in teleosts during the initial stages of development and the influence of lighting conditions on the functionality of said structures were also analysed. Results and conclusions: - The clock gene, per1, was cloned in sea bass. This gene showed a circadian pattern of expression, with an acrophase or peak expression near the end of the dark phase. - In European sea bass larvae, per1 expression starts in the early stages of development, showing a circadian pattern of expression from day 16 post— - In sea bass lavae, the photoperiod induces the start of a rhythmic pattern in per1 expression during development, remained arrhythmic under constant conditions of light and dark. The spectral composition of light used in the LD cycle, also affect the onset of rhythmic expression of this gene. - The photoperiod affects the expression of clock genes during the embryonic development of rainbow trout. Under a 12L: 12D photoperiod, the rhythmic expression of the clock genes (Per1 and clock) are detectable from day 8 post-fertilization (dpf), while aanat2 rhythmic expression is detectable from day 21dpf. By contrast, under LL, the expression of clock genes is altered, - In rainbow trout embryos, the rhythmic expression of per1 starts before the development of the classical photoreceptors (pineal and retina), and is not observed under LL, suggesting that this cycle could be initiated by other as yet unidentified photoreceptors. - Zebrafish subjected to periodic feeding showed Food Anticipatory Activity, which is manifested by an increase in the locomotor activity in the previous hours prior to meal time. - In zebrafish, the oscillator synchronized by food could be located outside the brain. - In sea bream, random feeding affects behavioural rhythms, increasing the locomotor activity levels. In contrast, periodic feeding induced an increase in locomotor activity in the hours prior to meal time (FAA). - In sea bream, scheduled feeding improves animal welfare. When the animals cannot predict the arrival of the food, the levels of stress indicators, such as cortisol and plasma glucose, are increased. ). In addition, periodic feeding improves growth in sea bream, at least in the short term. The results contribute to the advancement of scientific knowledge on the circadian system in teleosts and highlight the importance of environmental conditions for proper development and functioning of the circadian system, as well as the influence of this system on the overall physiology of the whole organism.

El plegament de la cromatina a l’interior dels cromosomes metafàsics segueix sent un dels problemes més difícils de resoldre de la biologia estructural. La majoria dels models de plegament més acceptats, que presenten la fibra de cromatina com a unitat bàsica, van ser proposats en condicions de molt baixa força iònica. Mitjançant múltiples tècniques microscòpiques, es va observar que els cromosomes metafàsics contenen un nou element bàsic de plegament: la placa de cromatina. Com a objectiu general, el treball experimental realitzat en aquesta tesi pretén ampliar el coneixement sobre l’estructura interna dels cromosomes metafàsics utilitzant condicions iòniques properes a les observades a la metafase. En primer lloc, s’ha estudiat l’estructura dels cromosomes dins les cèl·lules mitjançant microscòpia de polarització. Per altra banda, s’ha realitzat un ampli estudi de la capacitat d’autoassociació de fragments de cromatina de cromosomes metafàsics de cèl·lules humanes en condicions properes a la metafase. Mitjançant microscòpia de polarització, s’ha vist que els cromosomes metafàsics en medi aquós dins els sacs cel·lulars, són estructures òpticament isotròpiques. L’isotropia observada permet concloure que els cromosomes metafàsics no estan formats per piles paral·leles de nucleosomes. Aquesta possibilitat no exclou però l’associació de les cares laterals dels nucleosomes, que podrien donar lloc a piles amb diferents orientacions. Els resultats obtinguts mitjançant microscòpia electrònica de transmissió de fragments de cromatina obtinguts per digestió amb nucleasa micrococal de cromosomes metafàsics de cèl·lules humanes, mostren que únicament adopten una conformació estesa quan la concentració iònica del medi és molt baixa (10 mM Pipes, 10 mM EDTA). En condicions iòniques properes a la metafase (10 mM Pipes, 120 mM K+, 20 mM Na+, 17 mM Mg2+), els fragments de cromatina obtinguts tenen la capacitat intrínseca de formar estructures laminars per autoassociació. A més, no s’observen fibres de cromatina. Les plaques formades per autoassociació presenten les mateixes característiques que les emanades directament de cromosomes metafàsics: són estructures compactes, de superfície llisa i multilaminars. L’alçada de les plaques formades per autoassociació de fragments de cromatina metafàsica determinada a partir de mostres platinades unidireccionalment és de 6.8 ± 1.0 nm per làmina. Aquest valor coincideix amb l’alçada de les plaques emanades de cromosomes parcialment desnaturalitzants, observades al grup. L’aparició d’estructures laminars de gruix superior en mostres sotmeses a incubacions llargues a 25 i 37ºC, indica l’elevada tendència de les làmines de cromatina d’apilar-se i formar estructures multilaminars. Els cossos circulars compactes de 30 nm observats als voltants de les plaques obtingudes, sumat a la presència d’altres estructures circulars més petites sobre les plaques, suggereix que els cossos de 30 nm són estructures intermediàries durant el procés de formació de plaques. Tenint en compte que l’alçada d’un nucleosoma és de 11 nm i que no hi ha evidències que suggereixin una col·locació en columnes dels nucleosomes a les plaques, els resultats indiquen que els nucleosomes es distribueixen de forma parcialment inclinada a l’interior de les plaques. A partir dels resultats obtinguts, es pot suggerir que els nucleosomes a les plaques estan orientats irregularment. La interdigitació entre les làmines successives permet la interacció entre les cares laterals dels nucleosomes i dóna estabilitat a les plaques. La tendència a l’autoassociació de fragments de cromatina metafàsica per formar estructures multilaminars molt estables, suggereix que les cromàtides contenen cromatina plegada en una forma laminar al seu interior. / The three-dimensional organization of the chromatin filament in metaphase chromosomes is one of the most challenging problems of structural biology. The most accepted structural models for chromatin organization in the metaphase chromosome are those that present the chromatin fibber as a basic unit. However, they were proposed by the use of low ionic strength buffers. Through the use of several microscopy techniques, it was observed that metaphase chromosomes were built by a new structural element: the chromatin plate. The main goal of this thesis was to gain further insight on internal structure of metaphase chromosomes under metaphase ionic conditions. Firstly, it was analysed the entire chromosome structure within the cell using polarizing microscopy; and secondly, it was analysed the assembly process of digested chromatin fragments from human metaphase chromosomes under metaphase ionic conditions. Through the use of polarizing microscopy, it was observed that metaphase chromosomes in aqueous solutions under different ionic conditions are optically isotropic. These results exclude the possibility that nucleosomes are oriented regularly forming parallel columns inside metaphase chromosomes. Despite of this, it does not exclude the face-to-face and lateral side-by-side interactions of different nucleosomes, that can already generate columns with several orientations. The results obtained in the self-assembly process of chromatin fragments obtained after the digestion of micrococcal nuclease of human metaphase chromosomes observed with transmission electron microscopy, showed that they appear to be in an extended conformation just under low ionic strength condition (10 mM Pipes, 10 mM EDTA). When fragments are treated under metaphase ionic conditions (10 mM Pipes, 120 mM K+, 20 mM Na+, 17 mM Mg2+), it was observed that chromatin filaments generate laminar structures. In addition, there is no presence of chromatin fibbers. Self assembled plates show the same structural properties than the ones that emanate directly from metaphase chromosomes (i.e., flat and smooth surface, well-defined edges, stacking of several layers). Furthermore, the height of the plates obtained by self-assembly determined in unidirectional shadowing experiments is 6.8 ± 1.0 nm. This value is equal to the height of the plates emanated from partially denatured chromosomes, which was observed previously in our group. The presence of thick plates in the experiments performed at 25 and 37ºC indicate that the self assembled plates can be formed by stacked layers. Circular structures of 30 nm were observed surrounding the plates but also closely associated with them. Their presence suggested that these structures are intermediates of the plate generation process. Taking into account that the nucleosome height is 11 nm and that there are no evidences that suggest the presence of nucleosome columns inside the plates, results indicate that nucleosomes are slightly inclined in the chromatin plates. In conclusion, the results obtained in this thesis suggest that there is an irregular orientation of the nucleosomes inside the chromatin plates. The interdigitation of adjacent layers allows face-to-face and lateral side-by-side interactions between nucleosomes of successive layers, which confers stability and compactness to the laminar structure. The metaphase chromatin tendency to generate multilayered stable structures after a self-assembly process suggests that chromatids are composed of chromatin folded in a laminar way

La incidència d’infeccions gonocòciques i pneumocòciques roman alta en països en vies de desenvolupament i està augmentant a moltes parts del món. La necessitat de tractaments per a l’individu i per al control de la malaltia a nivel comunitàri és punyent però escollir el tractament adequat ha esdevingut complex com a conseqüència de la capacitat de Neisseria gonorrhoeae i Streptococcus pneumoniae de desenvolupar resistència envers antibiòtics. Aquesta tesi de doctorat investiga mecanismes relacionats amb la transferència genética horitzontal i amb l’arrest del creixement a N. gonorrhoeae and S. pneumoniae. La primera part de la tesi està dedicada a l’estudi de la transformació natural a N. gonorrhoeae i descriu els procediments que han portat a l’expressió, purificació i caracterització bioquímica de ComE, ComA i DprA, tres proteïnes que tenen un paper en la presa i el processament de DNA ambiental. La segona part de la tesi descriu la caracterització estructural mitjançant cristal·lografia de rajos X de RelBE2 de S. pneumoniae, un sistema toxina-antitoxina cromosòmic de tipus II que s’ha relacionat amb la moderació de la traducció i amb l’arrest del creixement en condicions d’escassetat de nutrients, i proposa un model per a la seva regulació. / The incidence of gonococcal and pneumococcal infections remains high in developing countries and is increasing in many parts of the world. The need not only for treatment of the individual but also for control of the diseases at a community level is acute but the selection of appropriate treatments has become a complicated issue by the ability of Neisseria gonorrhoeae and Streptococcus pneumoniae to develop resistance to antibiotics. This PhD thesis investigates mechanisms related to horizontal gene transfer and growth arrest in N. gonorrhoeae and S. pneumoniae. The first part of the thesis is devoted to the study of natural transformation in N. gonorrhoeae and describes the procedures that have lead to the expression, purification and biochemical characterization of ComE, ComA and DprA, three proteins involved in the uptake and processing of environmental DNA. The second part of the thesis describes the structural characterization by X-ray crystallography of S. pneumoniae RelBE2, a chromosomally-encoded type II toxin-antitoxin system that has been linked to translation moderation and growth arrest under starvation conditions, and proposes a model for its regulation.

Los inhibidores de peptidasas representan un mecanismo fisiológico para la regulación de las enzimas proteolíticas. Mientras que mayoría de los inhibidores monodominio tienen un único sitio reactivo mediante el cual interaccionan con sus peptidasas dianas de un tipo catalítico específico, algunos de ellos inhiben dos moléculas de peptidasa simultáneamente, dando lugar a la formación de complejos ternarios. Para estudiar este tipo de inhibidores se analizó la función de uno de ellos, sermetstatina. Este inhibidor forma un dímero que une fuertemente serín peptidasas y metalopeptidasas. La estructura del dímero de inhibidor fue determinada revelando que sermetstatina presenta una conformación en α/β-sándwich alargado constituido por cinco hebras β antiparalelas conectadas entre sí (β3-β2-β1-β4-β5; conectividad -1, -1, +3, +1) que dan lugar a una hoja β girada ∼30o, en cuya cara cóncava se acomodan dos hélices α (α1 y α2) y una hélice 310. Además, las estructuras de los complejos heterotetraméricos de sermetstatina con la serín peptidasa subtilisina y la metalopeptidasa esnapalisina fueron también determinadas, mostrando que la inhibición ocurre a través de lazos reactivos distales independientes. La interacción entre subtilisina y sermetstatina se produce mediante el lazo reactivo 2, posicionado adecuadamente por su hélice de anclaje, y la hendidura del centro activo de la enzima. El lazo se inserta a modo de cuña mimetizando un substrato en conformación extendida y canónica en la hendidura del centro activo de la enzima, siguiendo el mecanismo estándar de inhibición. Por otro lado, la interacción entre esnapalisina y sermetstatina se produce mediante el extremo N-terminal, el lazo reactivo 1, la hélice α1 y la región Lβ4β5 del inhibidor; y la hendidura del centro activo de la enzima y exositios presentes en la superficie de la proteasa. Este modo de inhibición sigue un mecanismo novedoso en inhibidores de metalopeptidasas, siendo este una reminiscencia distante del modo inhibitorio de los TIMPs en su unión con MMPs así como del modo inhibitorio del inhibidor de serralisina sobre la metalopeptidasa serralisina. Estas estructuras y el modelo del complejo heterohexamérico proporcionan por primera vez una visión detallada del mecanismo molecular de la inhibición simultánea de peptidasas pertenecientes a dos clases mecanísticamente diferentes por un inhibidor monodominio. En resumen, en el presente trabajo se ha determinado que sermetstatina es un inhibidor de doble faz genuino monodominio que ha evolucionado a partir de inhibidores de serín peptidasas de la familia MEROPS I16 con un único sitio reactivo que siguen el mecanismo estándar de inhibición. Dicha evolución ha dado lugar a una proteína bifuncional capaz de inhibir simultáneamente diferentes serín peptidasas y una metalopeptidasa específica a través de dos sitios reactivos distales compatibles. / Protein inhibitors provide a physiological mechanism for the regulation of proteolytic enzymes. While most single-domain inhibitors have one reactive site with which they target peptidases of a specific catalytic class, selected specimens inhibit two peptidase molecules simultaneously, thus giving rise to ternary complexes. To study such inhibition, the function of one of these proteins, sermetstatin, was analyzed. This inhibitor strongly binds as a dimer to serine peptidases and a metallopeptidase. The structure of the isolated inhibitor dimer was determined revealing that sermetstatin is an elongated α/β-sandwich. It consists of a five-stranded antiparallel β-sheet (β3-β2-β1-β4-β5; connectivity -1,-1,+3,+1) twisted by ∼30o, whose concave face accommodates two α-helices (α1 and α2) and a 310-helix. In addition, the structures of the heterotetrameric complexes with the serine peptidase subtilisin and the metallopeptidase snapalysin were equally determined, showing that inhibition occurs through two independent distal reactive sites. The subtilisin-sermetstatin interaction is made by reactive-site loop 2, adequately positioned by its scaffold helix, and the active-site cleft of the enzyme. The loop is inserted wedge-like mimicking a substrate in extended, “canonical” conformation in the active-site cleft of the enzyme following the “standard mechanism”. On the other hand, the snapalysin-sermetstatin interaction involves the N-terminal tail, reactive site loop 1, helix α1 and Lβ4β5 of the inhibitor; and the active-site cleft of the enzyme and some exosites on the protease surface. This inhibition modus follows a novel mechanism for metallopeptidase inhibitors only distantly reminiscent of the inhibitory mode of tissue inhibitors of metalloproteinases on their target matrix metalloproteinases and of serralysin inhibitors on their cognate serralysin MPs. These structures and the derived model for the heterohexameric complex provide for the first time a detailed view of the molecular mechanism of simultaneous inhibition of proteinases belonging to two distinct mechanistic classes by a single-domain protein. In summary, it was determined that sermetstatin is a genuine Janus-faced single-domain inhibitor which has evolved from single-site standard-mechanism serine peptidase inhibitors of family I16 to give a protein capable of simultaneous inhibition of serine peptidase in general and a specific metallopeptidase through distinct but compatible sites.

La presente tesis estudia los sitios alostéricos desde una perspectiva estructural y evolutiva. La regulación alostérica es un aspecto fundamental de la vida a nivel molecular, ya que es el mecanismo más potente y frecuente en la regulación de la actividad proteica: mediante la unión de un ligando a un sitio que no es el sitio activo. Este fenómeno fue descrito por primera vez hace más de 50 años y desde entonces no ha dejado de captar la atención de la comunidad científica, llegando incluso a ser calificado como `el segundo secreto de la vida', después del código genético. Sin embargo, la comprensión cabal de los mecanismos involucrados continúa siendo un gran desafío científico. Actualmente, los sitios alostéricos han despertado un creciente interés por parte de expertos en química medicinal y compañías farmacéuticas, dado su potencial para el desarrollo de nuevos fármacos. La tesis se presenta como un `compendio de publicaciones'. El primer artículo fue publicado a principios del año 2010 y describe la primera etapa del proyecto, una serie de análisis computacionales a gran escala para caracterizar sitios de unión a ligando integrando información referente a secuencia, sitios activos y estructura para más de mil familias proteicas. Mediante la identificación de sitios de unión comunes en distintas estructuras de la misma familia proteica, se desarrolló un método para medir la conservación estructural de dichos sitios. Esta metodología permitió realizar una caracterización de sitios de unión considerando distintos aspectos, como la conservación evolutiva a nivel de secuencia, flexibilidad estructural, potencial electrostático y conservación estructural. El descubrimiento más significativo fue la inesperada falta de correlación entre las medidas de conservación de secuencia y estructura para muchos de los sitios de unión predichos. Este hallazgo es válido también para casos específicos de proteínas alostéricas, donde el sitio activo está conservado tanto a nivel de secuencia como de estructura, pero el sitio alostérico sólo presenta conservación a nivel estructural y no de secuencia. El segundo artículo fue publicado a fines del año 2012 y explora la relación entre la flexibilidad proteica y la regulación alostérica, definiendo una metodología computacional para la predicción de sitios alostéricos en estructuras proteicas. Más allá de los aspectos dinámicos que fueron estudiados mediante el análisis de modos normales, el método también incorpora la medida de conservación estructural desarrollada en el primer artículo. El sistema predictivo fue puesto a prueba utilizando un extenso conjunto de proteínas alostéricas de estructura conocida, obteniendo un valor predictivo positivo de 65%. Después de la segunda publicación, el método se ha implementado como servidor web para brindar apoyo a la investigación de la regulación alostérica, tanto para extender el conocimiento de esta forma fundamental de regulación de la actividad proteica, como para ayudar en la aplicación de dichos conocimientos al desarrollo de nuevos fármacos con objetivos terapéuticos. / This thesis studies protein allosteric sites from a structural and evolutionary perspective. Allostery is a fundamental aspect of life at the molecular level, the most common and powerful mechanism of protein activity regulation: through binding of a ligand to a site which is not the active site. This phenomenon was first described more than 50 years ago and it still captures the attention of researchers, while fully understanding its mechanisms remains a grand scientific challenge. Furthermore, allosteric sites have been increasingly calling the attention of medicinal chemists and pharmaceutical companies, given their potential for the development of novel therapeutics. The thesis is presented as a `compendium of published articles'. The first article was published at the beginning of 2010 describing the first stage of the thesis, a series of large-scale computational analyses to characterize putative small-molecule binding sites by integrating publicly available information on protein sequences, structures and active sites for more than a thousand protein families. By identifying common pockets across different structures of the same protein family a method was developed to measure the pocket's structural conservation. Characterization of putative ligand-binding sites followed using different measures such as sequence conservation, structural flexibility, electrostatic potential and structural conservation. The most relevant finding was the unexpected lack of correlation between the two conservation measures, of sequence and structure, for many of the predicted cavities. This general finding was also observed in specific cases of allosteric proteins, where the active site was conserved both in terms of structure and sequence but the allosteric site was conserved only from the structural perspective and did not show conservation at the sequence level. The second article was published at the end of 2012, it explores the relationship between protein flexibility and allosteric effects defining a computational methodology to predict the presence and location of allosteric sites on protein structures. Besides the dynamical aspects assessed through normal mode analysis, the method also incorporates the structural conservation measure defined in the first article. The predictive approach was benchmarked against a large data set of allosteric proteins of known structure obtaining 65% positive predictive value. After the second publication, the method has been implemented in the form of a freely available web-server aimed to support the work of researchers in the field of allosterism, both to improve the understanding of this fundamental form of protein function regulation and to serve applied purposes in the area of drug design and discovery.

Actualment, el cribratge virtual juga un paper central en el món del descobriment de fàrmacs. L’anàlisi in silico permet el cribatge de milions de molècules petites i la tria de les més prometedores per a les proves experimentals. Per trobar candidats que puguin esdevenir fàrmacs, és crucial reunir una sèrie d’eines computacionals individuals i complementàries. En aquesta tesi, es descriu un procediment automatitzat de cribatge virtual que combina el modelat de farmacòfors i el seu ús en cerques, mètodes d’alt rendiment d’acoblament molecular, puntuació de consens i estimació d'energia lliure d'unió mitjançant el mètode d’energia d'interacció lineal (LIE) a partir de simulacions de dinàmica molecular. Un dels objectius d'aquesta tesi ha estat el de construir una metodologia flexible i versàtil de cribratge virtual, que permeti la integració de diferents eines en les diferents etapes de l’estudi. El procediment, que es va iniciar com la combinació d'un senzill filtre per tamany, la simulació de l’acoblament molecular i una puntuació de consens, ha derivat en un procediment computacional elaborat i automatitzat amb l'addició de cerques basades en farmacòfor i l'estimació de l'energia lliure d'unió mitjançant el mètode LIE. Aquest mètode integrat té l’objectiu de compensar les debilitats individuals de les diferents tècniques usades i permet avaluar i comparar el rendiment i la l’exactitud d'aquestes tècniques. Una altra fita important ha estat l'aplicació del procediment computacional a proteïnes diana concretes per tal d’avaluar-ne la capacitat de trobar molècules que puguin ser candidats a fàrmacs. Tests experimentals realitzats per a la β-Glucosidasa àcida i la hidrolasa de Bleomicina humanes indiquen que diverses molècules petites seleccionades pel procediment computacional tenen activitat inhibitòria micromolar. El mètode LIE emprat en aquest treball es va aplicar sobre més de deu mil complexos proteïna-lligand per a tres proteïnes diana diferents, el que és, al nostre entendre, la primera aplicació del mètode LIE a aquesta escala. / Virtual screening plays a central role in the world of drug discovery today. In silico testing allows to screen millions of small molecules and to choose only the most promising ones for experimental testing. To find potential drug candidates, it is crucial to bring together individual and complementary computational tools. In this thesis, I describe an automated virtual screening procedure that combines pharmacophore modeling and searches, high-throughput molecular docking, consensus scoring and binding free energy estimation with the linear interaction energy (LIE) method through molecular dynamics simulations. One goal of this thesis was to build an evolving and versatile virtual screening methodology, which enables integration of different tools at different steps. The procedure that started as a combination of a simple size filter, molecular docking and consensus scoring, advanced into an elaborate and automated computational workflow with the addition of pharmacophore searches and binding free energy estimation with LIE. This integrated method intends to compensate for weaknesses of individual structure-based techniques and allows the evaluation and comparison of the performance and accuracy of these techniques. Another important goal was to apply the computational workflow to target proteins and find hits that could be drug candidates. Experimental testing performed for human acid β-Glucosidase and bleomycin hydrolase indicate that several small molecules selected by the computational workflow display micromolar inhibitory activity. The standard LIE method used in this work was applied to more than ten thousand ligand-protein complexes for three different targets, which is, to our knowledge, the first time application of LIE at such large scale.

La Diabetes mellitus (DM) es un síndrome hiperglucémico que afecta al 7% de la población adulta de nuestro país, y que a largo plazo se asocia con complicaciones macro- y micro-vasculares potencialmente discapacitantes. Algunas de estas complicaciones crónicas (aterosclerosis, nefropatía, retinopatía, neuropatía) constituyen las principales causas de morbilidad y mortalidad en pacientes con DM, y por ello se han estudiado sus mecanismos patogénicos con detalle. Sin embargo, existen otras complicaciones tales como las óseas y articulares, que han recibido menor atención en la literatura, pero que contribuyen a disminuir la calidad de vida de los pacientes. En particular, se ha encontrado que a largo plazo, la DM se asocia con pérdida de masa ósea (osteopenia, osteoporosis) y/o disminución en la calidad estructural del hueso, que genera un incremento en el riesgo de fracturas en el esqueleto apendicular.Los pacientes con DM tipo 2 son frecuentemente tratados con antidiabéticos orales (sulfonilureas, biguanidas, tiazolidindionas [TZD] y/o inhibidores de la dipeptidil-peptidasa-4 [DPP-4]), con el objeto de poder lograr un mejor control glucémico. Resulta entonces de interés investigar el posible efecto directo o indirecto de estos antidiabéticos orales sobre el metabolismo óseo, particularmente en vista del efecto deletéreo per se de la DM sobre el hueso. A lo largo de los últimos años nuestro grupo ha estudiado el efecto de la metformina (una biguanida insulinosensibilizante) sobre osteoblastos en cultivo, encontrando que induce en forma directa un incremento en su proliferación, diferenciación y mineralización. En experimentos más recientes, encontramos además que al administrar metformina en el agua de bebida a ratas diabéticas y no diabéticas, induce un efecto osteogénico tanto in vivo (aumentando la masa y celularidad ósea, e incrementando la reparación de una lesión ósea inducida previamente) como ex vivo (estimulando la capacidad osteogénica de células progenitoras de médula ósea aisladas del canal medular diafisario de huesos largos). La dipeptidil peptidasa 4 (DPP-4) es una proteasa de acción extracelular, responsable de la degradación de una familia de hormonas denominadas incretinas, entre las cuales se encuentran el péptido insulinotrópico dependiente de glucosa (GIP), y los péptidos símil-glucagón tipos 1 (GLP-1). Estas incretinas inducen un estímulo sobre la secreción pancreática de insulina, habiéndose estimado que dan cuenta del 50% de dicha secreción de insulina luego de la ingesta oral de alimentos pero tienen una vida media corta en circulación (1-2 minutos), debido a su rápida degradación por la DPP-4. Se han desarrollado inhibidores selectivos de DPP-4 (sitagliptina, vildagliptina, saxagliptina) para poder incrementar la secreción de insulina estimulada por incretinas en pacientes con DM tipo 2, con el objeto de mejorar su control glucémico post-prandial. El efecto de los diferentes inhibidores de la DPP-4 sobre el metabolismo óseo aún no se ha establecido con claridad. Sin embargo, en estudios con pacientes diabéticos de 24 semanas de duración se encontró que el tratamiento con saxagliptina indujo un incremento de un 67% en la incidencia de fracturas respecto de placebo,dato que se encuentra en elprospecto publicado por la compañía farmacéutica.En base a esta información, se propone para este trabajo de tesis lahipótesis de que la monoterapia con saxagliptina induce efectos deletéreos sobre el hueso, y que dichos efectos pueden prevenirse por el co-tratamiento con metformina. Se investigó el efecto de un tratamiento oral con saxagliptina y/o metformina sobre la micro-arquitectura de huesos largos en ratas control (no diabéticas) y diabéticas, utilizando un modelo animal de ratas con hiperglucemia generada por deficiencia parcial en la producción y secreción de insulina, como consecuencia de la destrucción parcial de las células β del páncreas.Se estudiaron las metáfisis proximales de los fémures, para ello se realizaron cortes histológicos que fueron coloreados con hematoxilina y eosina (H-E) y con Azul Alcian (AA). Además la presencia de osteoclastos se puso en evidencia mediante, la reacción histoquímica fosfatasa ácido tartrato resistente (TRAP). Con el fin de estudiar su mecanismo de acción, se evaluó in vitro el efecto directo de la saxagliptina y su combinación con metformina sobre una línea celular pre-osteoblástica (MC3T3E1) y sobre células progenitoras de médula ósea (CPMO) aisladas del canal medular de ratas no diabéticas. Se realizaron ensayos de proliferación en presencia de mitógenos (Suero Fetal Bovino, Insulina e IGF-1) durante 24hs y ensayos de diferenciación celular hacia el linaje osteoblástico durante 14 o 21 días. Adicionalmente, mediante western blot se determinaron factores de diferenciación tales como Runx-2 y osteocalcina (comprometidos con la osteogénesis), PPARγ (un factor de transcripción adipogénico), las señales mitogénicas mediadas por las quinasas reguladas extracelularmente (ERK) y la activación de la quinasa dependiente de AMPc (AMPK). Al evaluar parámetros histomorfométricos estáticos en los fémures de ratas sanas, encontramos que la saxagliptina indujo efectos deletéreos en la micro-arquitectura del hueso trabecular femoral, que fueron prevenidos cuando se administra conjuntamente con la metformina. En los animales con deficiencia parcial en la secreción de insulina, el análisis de los fémures mostró un gran deterioro del tejido óseo, efecto propio de la enfermedad. Sin embargo, no se encontraron diferencias significativas en los parámetros histomorfométricos de fémures de las ratas diabéticas tratadas con saxagliptina respecto a las diabéticas sin tratamiento; mientras que la administración de monoterapia con metformina previno completamente el efecto deletéreo sobre el tejido óseo. Cuando se evaluaron los fémures de estas mismas ratas, pero que fueron tratadas con la combinación saxagliptina-metformina, la mayoría de los parámetros histomorfométricos estudiados alcanzó valores similares a las ratas no diabéticas, sin tratamiento, es decir que mejoró la calidad ósea. Estudios in vitro realizados a corto plazo (24 h) mostraron que la saxagliptina inhibe la proliferación osteoblástica inducida por FBS, insulina e IGF-1 de las células MC3T3E1 y las CPMO; este efecto se encuentra mediado por la activación mediante fosforilación de ERK. Por el contrario, en ausencia de suero o factores de crecimiento la saxagliptina no tuvo ningún efecto per se sobre la proliferación de ambos tipos de células o la activación de ERK. Mientras que en los ensayos realizados a plazos más largo (2-3 semanas demostraron que al añadir saxagliptina al medio de cultivo hay unainhibición tipo dosis-dependiente de la secreción de colágeno tipo 1 y la producción de nódulos de mineralización, así como también una disminución de la expresión de osteocalcina y Runx-2, y un aumento de la expresión de PPARγ en ambos tipos celulares. Por otro lado, previamente hemos demostrado que la metformina tiene efectos osteogénicos directos, incrementando tanto la proliferación y como diferenciación osteoblástica e inhibiendo la diferenciación adipogénica. En el presente trabajo encontramos que la co-incubación de las células en presencia de saxagliptina y metformina previno los efectos negativos en la proliferación y diferenciación celular provocados por el inhibidor de DPP-4. La AMPK es una enzima involucrada en el metabolismo energético de la cual se ha demostrado su importancia en el desarrollo y diferenciación osteoblástica. Previamente hemos demostrado que el mecanismo de acción de la metformina se encuentra mediado por la AMPK, por este motivo investigamos si la monoterapia con saxagliptina o la terapia combinada eran capaces de afectar la activación de esta enzima, encontrando que la activación mediada por metformina no se afecta por el tratamiento con saxagliptina. Resumiendo, este modelo animal junto con los ensayos in vitro realizados, nos ha permitido poner a prueba nuestra hipótesis mostrando que la saxagliptina puede disminuir simultáneamente el compromiso osteoblástico y potencial osteogénico de las células progenitoras de médula ósea y afectar en forma directa la actividad osteoblástica; así como también puede inducir cambios perjudiciales en la microarquitectura de hueso trabecular femoral. Estos efectos fueron prevenidos total o parcialmente con el tratamiento combinado saxagliptina-metformina.