Tesis por compendio / [EN] Synthetic Biology is an emerging interdisciplinary field that aims to apply the engineering principles of modularity, abstraction and standardization to genetic engineering. The nascent branch of Synthetic Biology devoted to plants, Plant Synthetic Biology (PSB), offers new breeding possibilities for crops, potentially leading to enhanced resistance, higher yield, or increased nutritional quality. To this end, the molecular tools in the PSB toolbox need to be adapted accordingly, to become modular, standardized and more precise. Thus, the overall objective of this Thesis was to adapt, expand and refine DNA assembly tools for PSB to enable the incorporation of functional specifications to the description of standard genetic elements (phytobricks) and to facilitate the construction of increasingly complex and precise multigenic devices, including genome editing tools. The starting point of this Thesis was the modular DNA assembly method known as GoldenBraid (GB), based on type IIS restriction enzymes. To further optimize the GB construct-making process and to better catalog the phytobricks collection, a database and a set of software-tools were developed as described in Chapter 1. The final webbased software package, released as GB2.0, was made publicly available at www.gbcloning.upv.es. A detailed description of the functioning of GB2.0, exemplified with the building of a multigene construct for anthocyanin overproduction was also provided in Chapter 1. As the number and complexity of GB constructs increased, the next step forward consisted in the refinement of the standards with the incorporation of experimental information associated to each genetic element (described in Chapter 2). To this end, the GB package was reshaped into an improved version (GB3.0), which is a self-contained, fully traceable assembly system where the experimental data describing the functionality of each DNA element is displayed in the form of a standard datasheet. The utility of the technical specifications to anticipate the behavior of composite devices was exemplified with the combination of a chemical switch with a prototype of an anthocyanin overproduction module equivalent to the one described in Chapter 1, resulting in a dexamethasone-responsive anthocyanin device. Furthermore, Chapter 3 describes the adaptation and functional characterization of CRISPR/Cas9 genome engineering tools to the GB technology. The performance of the adapted tools for gene editing, transcriptional activation and repression was successfully validated by transient expression in N. benthamiana. Finally, Chapter 4 presents a practical implementation of GB technology for precision plant breeding. An intragenic construct comprising an intragenic selectable marker and a master regulator of the flavonoid biosynthesis was stably transformed in tomato resulting in fruits enhanced in flavonol content. All together, this Thesis shows the implementation of increasingly complex and precise genetic designs in plants using standard elements and modular tools following the principles of Synthetic Biology. / [ES] La Biología Sintética es un campo emergente de carácter interdisciplinar que se fundamenta en la aplicación de los principios ingenieriles de modularidad, abstracción y estandarización a la ingeniería genética. Una nueva vertiente de la Biología Sintética aplicada a las plantas, la Biología Sintética Vegetal (BSV), ofrece nuevas posibilidades de mejora de cultivos que podrían llevar a una mejora de la resistencia, a una mayor productividad, o a un aumento de la calidad nutricional. Sin embargo, para alcanzar este fin las herramientas moleculares disponibles en estos momentos para BSV deben ser adaptadas para convertirse en modulares, estándares y más precisas. Por ello se planteó como objetivo general de esta Tesis adaptar, expandir y refinar las herramientas de ensamblaje de DNA de la BSV para permitir la incorporación de especificaciones funcionales en la descripción de elementos genéticos estándar (fitobricks) y facilitar la construcción de estructuras multigénicas cada vez más complejas y precisas, incluyendo herramientas de editado genético. El punto de partida de esta Tesis fue el método de ensamblaje modular de ADN GoldenBraid (GB) basado en enzimas de restricción tipo IIS. Para optimizar el proceso de ensamblaje y catalogar la colección de fitobricks generados se desarrollaron una base de datos y un conjunto de herramientas software, tal y como se describe en el Capítulo 1. El paquete final de software se presentó en formato web como GB2.0, haciéndolo accesible al público a través de www.gbcloning.upv.es. El Capítulo 1 también proporciona una descripción detallada del funcionamiento de GB2.0 ejemplificando su uso con el ensamblaje de una construcción multigénica para la producción de antocianinas. Con el aumento en número y complejidad de las construcciones GB, el siguiente paso necesario fue el refinamiento de los estándar con la incorporación de la información experimental asociada a cada elemento genético (se describe en el Capítulo 2). Para este fin, el paquete de software de GB se reformuló en una nueva versión (GB3.0), un sistema de ensamblaje auto-contenido y completamente trazable en el que los datos experimentales que describen la funcionalidad de cada elemento genético se muestran en forma de una hoja de datos estándar. La utilidad de las especificaciones técnicas para anticipar el comportamiento de dispositivos biológicos compuestos se ejemplificó con la combinación de un interruptor químico y un prototipo de un módulo de sobreproducción de antocianinas equivalente al descrito en el Capítulo 1, resultando en un dispositivo de producción de antocianinas con respuesta a dexametasona. Además, en el Capítulo 3 se describe la adaptación a la tecnología GB de las herramientas de ingeniería genética CRISPR/Cas9, así como su caracterización funcional. La funcionalidad de estas herramientas para editado génico y activación y represión transcripcional se validó con el sistema de expresión transitoria en N.benthamiana. Finalmente, el Capítulo 4 presenta una implementación práctica del uso de la tecnología GB para hacer mejora vegetal de manera precisa. La transformación estable en tomate de una construcción intragénica que comprendía un marcador de selección intragénico y un regulador de la biosíntesis de flavonoides resultó en frutos con un mayor contenido de flavonoles. En conjunto, esta Tesis muestra la implementación de diseños genéticos cada vez más complejos y precisos en plantas utilizando elementos estándar y herramientas modulares siguiendo los principios de la Biología Sintética. / [CA] La Biologia Sintètica és un camp emergent de caràcter interdisciplinar que es fonamenta amb l'aplicació a la enginyeria genètica dels principis de modularitat, abstracció i estandarització. Una nova vessant de la Biologia Sintètica aplicada a les plantes, la Biologia Sintètica Vegetal (BSV), ofereix noves possibilitats de millora de cultius que podrien portar a una millora de la resistència, a una major productivitat, o a un augment de la qualitat nutricional. Tanmateix, per poder arribar a este fi les eines moleculars disponibles en estos moments per a la BSV han d'adaptar-se per convertir-se en modulars, estàndards i més precises. Per això es plantejà com objectiu general d'aquesta Tesi adaptar, expandir i refinar les eines d'ensamblatge d'ADN de la BSV per permetre la incorporació d'especificacions funcionals en la descripció d'elements genètics estàndards (fitobricks) i facilitar la construcció d'estructures multigèniques cada vegada més complexes i precises, incloent eines d'edidat genètic. El punt de partida d'aquesta Tesi fou el mètode d'ensamblatge d'ADN modular GoldenBraid (GB) basat en enzims de restricció tipo IIS. Per optimitzar el proces d'ensamblatge i catalogar la col.lecció de fitobricks generats es desenvolupà una base de dades i un conjunt d'eines software, tal i com es descriu al Capítol 1. El paquet final de software es presentà en format web com GB2.0, fent-se accessible al públic mitjançant la pàgina web www.gbcloning.upv.es. El Capítol 1 també proporciona una descripció detallada del funcionament de GB2.0, exemplificant el seu ús amb l'ensamblatge d'una construcció multigènica per a la producció d'antocians. Amb l'augment en nombre i complexitat de les construccions GB, el següent pas fou el refinament dels estàndards amb la incorporació de la informació experimental associada a cada element genètic (es descriu en el Capítol 2). Per a aquest fi, el paquet de software de GB es reformulà amb una nova versió anomenada GB3.0. Aquesta versió consisteix en un sistema d'ensamblatge auto-contingut i complemtament traçable on les dades experimentals que descriuen la funcionalitat de cada element genètic es mostren en forma de fulla de dades estàndard. La utilitat de les especificacions tècniques per anticipar el comportament de dispositius biològics compostos s'exemplificà amb la combinació de un interruptor químic i un prototip d'un mòdul de sobreproducció d'antocians equivalent al descrit al Capítol 1. Aquesta combinació va tindre com a resultat un dispositiu de producció d'antocians que respón a dexametasona. A més a més, al Capítol 3 es descriu l'adaptació a la tecnologia GB de les eines d'enginyeria genètica CRISPR/Cas9, així com la seua caracterització funcional. La funcionalitat d'aquestes eines per a l'editat gènic i activació i repressió transcripcional es validà amb el sistema d'expressió transitòria en N. benthamiana. Finalment, al Capítol 4 es presenta una implementació pràctica de l'ús de la tecnologia GB per fer millora vegetal de mode precís. La transformació estable en tomaca d'una construcció intragènica que comprén un marcador de selecció intragènic i un regulador de la biosíntesi de flavonoïdes resultà en plantes de tomaca amb un major contingut de flavonols en llur fruits. En conjunt, esta Tesi mostra la implementació de dissenys genètics cada vegada més complexos i precisos en plantes utilitzant elements estàndards i eines modulars seguint els principis de la Biologia Sintètica. / Vázquez Vilar, M. (2016). DESIGN OF GENETIC ELEMENTS AND SOFTWARE TOOLS FOR PLANT SYNTHETIC BIOLOGY [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/68483 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales / Compendio

Optimal response to drought is critical for plant survival and will affect biodiversity and crop performance during climate change. Mitotically heritable epigenetic and dynamic chromatin state changes have been implicated in the plant response to the drought stress hormone abscisic acid (ABA). The Arabidopsis SWI/SNF chromatin-remodeling ATPase BRAHMA (BRM) modulates response to ABA by preventing premature activation of stress response pathways during germination. Here, we show that the core ABA signalosome formed by ABA receptors, PP2Cs and SnRK2s physically interact with BRM to regulate BRM activity and post-translationally modify BRM by phosphorylation/dephosphorylation. Genetic evidence suggests that BRM acts downstream of SnRK2.2/2.3 kinases and biochemical studies identified evolutionary conserved SnRK2 phosphorylation sites in the C-terminal region of BRM. Our data suggest that SnRK2-dependent phosphorylation of BRM leads to its inhibition, and PP2CA-mediated dephosphorylation of BRM restores the ability of BRM to repress ABA response. ABA plays a key role to regulate germination and post-germination growth and the AP2-type ABI4 and bZIP-type ABI5 transcription factors (TFs) are required for ABA-mediated inhibition of post-germination growth when the embryo encounters water stress. The growth arrest induced by ABI4 and ABI5 involves ABA signaling and in the case of ABI5, it has been demonstrated that ABA inhibits the activity of BRM to induce ABI5 transcription. Loss of BRM activity leads to destabilization of a nucleosome involved in repression of ABI5 transcription. Therefore reduction of BRM activity in the brm-3 allele leads to enhanced expression of ABI5 in 2-d-old seedlings and enhanced sensitivity to ABA. Novel genetic evidence obtained in this work indicates that ABI4 is one of the redundant TFs regulated by BRM that mediate ABA response during germination and early seedling growth. Thus, the association of BRM with the ABI4 locus together with the observed derepression of ABI4 expression in brm-3 suggests that BRM directly regulates ABI4 expression. Finally, this work provides a direct link between the ABA signalosome and the chromatin-remodeling ATPase BRM, which enables ABA-dependent modulation of BRM activity as a possible mechanism to enhance plant drought tolerance. Additionally, we identified and characterized the promoter of PP2CA as a stress-inducible promoter and we have used it to drive the expression of ABA receptors from Arabidopsis and Solanum lycopersicum. This technology appears to be promising for the expression of ABA receptors in an inducible manner and to generate drought tolerant plants. / La respuesta óptima a la sequía es crítica para la supervivencia de las plantas y afectará a la biodiversidad y al rendimiento de los cultivos durante el cambio climático. Las modificaciones epigenéticas y los cambios dinámicos del estado de la cromatina han sido implicados en la respuesta de la planta al ácido abscísico (ABA), la conocida como la hormona del estrés hídrico. La ATPasa remodeladora de cromatina de tipo SWI/SNF de Arabidopsis, BRAHMA (BRM), modula la respuesta al ABA mediante la prevención de la activación prematura de las vías de respuesta al estrés durante la germinación. Aquí, mostramos que el núcleo del señalosoma de ABA formado por los receptores de ABA, las PP2Cs y las SnRK2s interaccionan físicamente con BRM para regular su actividad y modificarla post-traduccionalmente por mecanismos de fosforilación/desfosforilación. La evidencia genética sugiere que BRM actúa aguas abajo de las quinasas SnRK2.2/2.3 y los estudios bioquímicos identificaron la presencia en la región C-terminal de BRM de sitios de fosforilación de las SnRK2 que estaban conservados evolutivamente. Nuestros datos sugieren que la fosforilación de BRM que depende de las SnRK2 conduce a su inhibición, y que la desfosforilación de BRM mediada por PP2CA restaura la capacidad de BRM para reprimir la respuesta a ABA. El ABA juega un papel clave en la regulación de la germinación y el crecimiento post germinativo y los factores de transcripción de tipo AP2 como ABI4 y de tipo bZIP como ABI5, son necesarios para la inhibición del crecimiento post germinativo mediado por ABA cuando los embriones encuentran estrés hídrico. La detención del crecimiento inducida por ABI4 y ABI5 implica la señalización de ABA y en el caso de ABI5, se ha demostrado que el ABA inhibe la actividad de BRM para inducir la transcripción de ABI5. La pérdida de actividad de BRM conduce a la desestabilización de un nucleosoma implicado en la represión de la transcripción de ABI5. Por lo tanto, la reducción de la actividad de BRM en el alelo brm-3 conduce a una mayor expresión de ABI5 en plántulas de 2 días y una mayor sensibilidad a ABA. La nueva evidencia genética obtenida en este trabajo indica que ABI4 es uno de los factores de transcripción redundantes regulados por BRM que median la respuesta a ABA durante los estadios de germinación y crecimiento temprano de las plántulas. La asociación de BRM con el locus ABI4, junto con la desrepresión de la expresión de ABI4 observada en el mutante brm-3 sugiere que BRM regula directamente la expresión de ABI4. Por último, este trabajo proporciona una relación directa entre el señalosoma de ABA y la ATPasa remodeladora de cromatina BRM, que permite la modulación de la actividad de BRM de modo dependiente de ABA como un posible mecanismo para mejorar la tolerancia a sequía de las plantas. Además, hemos identificado y caracterizado el promotor de PP2CA como un promotor inducible por estrés y lo hemos utilizado para dirigir la expresión de los receptores de ABA de Arabidopsis y Solanum lycopersicum. Esta tecnología parece ser prometedora para la expresión de receptores de ABA de modo inducible y para generar plantas tolerantes a la sequía. / La resposta òptima a la sequera és crítica per a la supervivència de les plantes i afectarà la biodiversitat i al rendiment dels cultius durant el canvi climàtic. Les modificacions epigenètiques i els canvis dinàmics de l'estat de la cromatina han estat implicats en la resposta de la planta a l'àcid abscísic (ABA), la coneguda com hormona de l'estrès hídric. La ATPasa remodeladora de cromatina de tipus SWI/SNF d'Arabidopsis, BRAHMA (BRM), modula la resposta al ABA mitjançant la prevenció de l'activació prematura de les vies de resposta a l'estrès durant la germinació. Ací, mostrem que el nucli del senyalosoma d'ABA format pels receptors d'ABA, les PP2Cs i les SnRK2s interaccionen físicament amb BRM per regular la seva activitat i modificar-la post-traduccionalment per mecanismes de fosforilació/desfosforilació. L'evidència genètica suggereix que BRM actua aigües avall de les quinases SnRK2.2/2.3 i els estudis bioquímics van identificar la presència, a la regió C-terminal de BRM, de llocs de fosforilació de les SnRK2 que estaven conservats evolutivament. Les nostres dades suggereixen que la fosforilació de BRM que depèn de les SnRK2, condueix a la inhibició de BRM, i que la defosforilació de BRM mediada per PP2CA restaura la capacitat de BRM per reprimir la resposta a ABA. El ABA juga un paper clau en la regulació de la germinació i el creixement post-germinació i els factors de transcripció de tipus AP2 com ABI4 i de tipus bZIP com ABI5, són necessaris per a la inhibició del creixement post-germinació mediat per ABA quan els embrions pateixen estrès hídric. La detenció del creixement induïda per ABI4 i ABI5 implica la senyalització d'ABA i en el cas d'ABI5, s'ha demostrat que l'ABA inhibeix l'activitat de BRM per induir la transcripció d'ABI5. La pèrdua d'activitat de BRM condueix a la desestabilització d'un nucleosoma implicat en la repressió de la transcripció d'ABI5. Per tant, la reducció de l'activitat de BRM a l'al·lel brm-3 condueix a una major expressió d'ABI5 en plàntules de 2 dies i una major sensibilitat a l'ABA. La nova evidència genètica obtinguda en aquest treball indica que ABI4 és un dels factors de transcripció redundants que són regulats per BRM que medien la resposta a l'ABA durant els estadis de germinació i creixement primerenc de les plàntules. Per tant, l'associació de BRM amb el locus ABI4, juntament amb la desrepressió de l'expressió de ABI4 observada al mutant brm-3 suggereix que BRM regula directament l'expressió d'ABI4. Finalment, aquest treball proporciona una relació directa entre el senyalosoma d'ABA i l'ATPasa remodeladora de cromatina BRM, que permet la modulació de l'activitat de BRM de manera dependent d'ABA com un possible mecanisme per millorar la tolerància a sequera de les plantes. A més, hem identificat i caracteritzat el promotor de PP2CA com un promotor induïble per estrès i l'hem utilitzat per dirigir l'expressió dels receptors d'ABA d'Arabidopsis i Solanum lycopersicum. Aquesta tecnologia sembla ser prometedora per a l'expressió de receptors d'ABA de manera induïble i per generar plantes tolerants a la sequera. / Peirats Llobet, M. (2017). Fundamental and applied research in ABA signaling: Regulation by ABA of the chromatin remodeling ATPase BRAHMA and biotechnological use of the PP2CA promoter [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/82694 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales

Throughout evolution, plants have developed a sophisticated network of signaling pathways allowing the activation and regulation of immune responses. The identification of metabolic pathways which are involved in modulating the intensity of that immune responses is an important challenge in the field of plant-pathogen interaction. With this aim, we performed two genetic approaches in Arabidopsis thaliana against the disease caused by the hemibiotroph bacterial pathogen Pseudomonas syringae DC3000. We demonstrate that the regulation of two pathways, related between them, is crucial to activate an effective immune response. By means of a genetic screening of regulators components of plant immunity, we identified the mutant scs9 (suppressor of csb3) which shows an affected resistance that triggers a enhanced susceptibility to P.s. DC3000 through an independent pathway of salicylic acid (SA)-mediated immune response. The cloning and characterization of SCS9 reveals that it codes for 2'-O-ribose tRNA methyltransferase. Our results indicate that the SCS9-mediated methylation of nucleosides N32 and N34, located in the tRNAs anticodon loop, is crucial for the plant immunity effectiveness. On the other hand, with a chemical genetic screening of agonist molecules of the immune response, we identified the sulfonamides as priming inducer molecules that exhibit a faster and/or stronger activation of SA-related defense responses and enhanced resistance to P.s. DC3000. Analysis of the mechanism of action of these molecules reveals that synthesis and accumulation of folates exert a SA-independent negative control on the immune response to P.s. DC3000. Through comparative proteomic analysis we identified the 5-methyltetrahydropteroyltriglutamate homocysteine methyltransferase 1 (methione synthase, here named as METS1), enzyme responsible of the methionine synthesis in the folate-dependent 1C metabolism and overaccumulated in scs9 mutants, as modulator component in the immune response to P.s. DC3000. We observed that the overexpression of METS1 in transgenic plants of Arabidopsis suppresses plant immune responses and promotes enhanced susceptibility to P.s. DC3000. This repressor effect is due to a genome-wide increase in DNA methylation level, which is mediated by the overaccumulation of METS1 and the consequent increase of folate-dependent methionine synthesis. Therefore, the findings of this work provide a deeper knowledge about the mechanisms by which the DNA methylation and epigenetic regulation exert an influence on plant immunity through folate metabolism, particularly by METS1, whose synthesis is regulated through specific tRNA modifications mediated by SCS9. / Las plantas, a lo largo de la evolución, han desarrollado un sofisticado entramado de rutas de señalización que permiten la activación y el control de la respuesta inmune. Identificar qué procesos metabólicos participan en modular la amplitud de dicha respuesta inmune es un reto en el campo de la interacción planta-patógeno. Con este propósito, se han utilizado dos aproximaciones genéticas llevadas a cabo en Arabidopsis thaliana contra la infección por la bacteria hemibiotrofa Pseudomonas syringae DC3000. Los resultados ponen de manifiesto la importancia de la regulación de dos mecanismos, a su vez relacionados, para la activación de una respuesta inmune efectiva. Mediante un rastreo genético en busca de componentes reguladores de la inmunidad, identificamos el mutante que denominamos scs9 (supresor de csb3). scs9 muestra una resistencia afectada que conlleva un incremento en la susceptibilidad a P.s. DC3000 a través de un mecanismo independiente a la respuesta inmune mediada por ácido salicílico (SA). La clonación y caracterización de SCS9 revela que codifica una 2'-O-ribosa metiltransferasa de tRNA. Nuestros resultados indican que la modificación por metilación mediada por SCS9 de los nucleósidos N32 y N34 de la región anticodón de los tRNAs, es clave para la inmunidad de la planta. Por otro lado, mediante un rastreo de genética química en busca de moléculas agonistas de la respuesta inmune, identificamos un grupo de sulfonamidas como moléculas activadoras de un mecanismo de priming. Este conlleva una más rápida y/o más intensa activación de la respuesta defensiva dependiente de SA y de un incremento de la resistencia frente a P.s. DC3000. El análisis del mecanismo de acción de dichas moléculas revela que la síntesis y acumulación de folatos ejerce un control negativo sobre la respuesta inmune frente a P.s. DC3000; y ese control es ejercido de manera independiente a la ruta de señalización mediada por SA. A través de un análisis proteómico comparativo identificamos la proteína 5-metiltetrahidropteroiltriglutamato homocisteína metiltransferasa 1 (metionina sintasa, denominada aquí METS1), responsable de la síntesis de metionina en el metabolismo C1 dependiente de folatos y sobreacumulada en los mutantes scs9. Esta proteína participa entonces como componente modulador de la respuesta inmune a P.s. DC3000. La sobreexpresión de METS1 en plantas transgénicas observamos que suprime la respuesta inmune y conlleva a un incremento en la susceptibilidad frente a P.s. DC3000. Dicho efecto represor de la resistencia acontece a raíz de un incremento del nivel de metilación de DNA en todo el genoma mediado por la sobreacumulación de METS1 y del consiguiente posible aumento en la síntesis de metionina dependiente de folatos. Por tanto, estos resultados ahondan en el conocimiento de cómo la metilación de DNA y el control epigenético ejercen una influencia sobre la respuesta inmune. Esta influencia puede ser controlada a través del metabolismo de folatos, y en particular a través de METS1, enzima cuya síntesis está a su vez controlada por determinadas modificaciones de tRNA mediadas por SCS9. / Les plantes, al llarg de l'evolució, han desenvolupat un sofisticat entramat de rutes de senyalització que permeten l'activació i el control de la resposta immune. Identificar quins procesos metabòlics participen en la modulació de l'amplitud d'aquesta resposta immune és un repte en el camp de la interacció planta-patogen. Amb aquest propòsit, s'han utilitzat dues aproximacions genètiques en Arabidopsis thaliana en resposta a la infecció pel bacteri hemibiotrofo Pseudomonas syringae DC3000. Els resultats posen de manifest la importància de la regulació de dos mecanismes, al seu torn relacionats, per a l'activació d'una resposta immune efectiva. Mitjançant un rastreig genètic per a la recerca de components reguladors de la immunitat, es va identificar el mutant que denominem scs9 (supresor de csb3). scs9 mostra una resistència afectada que comporta un increment en la susceptibilitat a P.s. DC3000 fent ús d'un mecanisme independent a la resposta immune mediada per l'àcid salicílic (SA). La clonació i caracterització de SCS9 revela que codifica una 2'-O-ribosa metiltransferasa de tRNA. Els nostres resultats indiquen que la modificació per metilació mediada per SCS9 dels nucleòsids N32 i N34 de la regió anticodó dels tRNAs, és clau per a la immunitat de la planta. D'altra banda, per mitjà d'un rastreig de genètica química per a la recerca de molècules agonistes de la resposta immune, es va identificar un grup de sulfonamidas com a molècules activadores d'un mecanisme de priming. Aquest, comporta una més rápida i/o més intensa activació de la resposta defensiva dependent de SA i d'un increment de la resistència enfront de P.s. DC3000. L'anàlisi del mecanisme d'acció d'aquestes molècules revela que la síntesis i acumulació de folats exerceix un control negatiu sobre la resposta immune davant el bacteri P.s. DC3000; i eixe control és exercit de manera independent a la ruta de senyalització mediada per SA. Amb un anàlisi proteòmic comparatiu es va identificar la proteïna 5-metiltetrahidropteroiltriglutamato homocisteína metiltransferasa 1 (metionina sintasa, denominada ací METS1), responsable de la síntesi de metionina al metabolisme C1 dependent de folats i sobreacumulada en els mutants scs9. Aquesta, així doncs, es troba participant com a component modulador de la resposta immune a P.s. DC3000. La sobreexpressió de METS1 en plantes transgèniques suprimeix la resposta immune i comporta a un increment en la susceptibilitat per P.s. DC3000. L'efecte repressor de la resistència succeïx arran d'un increment del nivell de metilació de DNA en tot el genoma, mediat per la sobreacumulació de METS1 i del consegüent posible augment en la síntesi de metionina dependent de folats. Per tant, aquests resultats aprofundixen en el coneixement de com la metilació de DNA i el control epigenètic exerceixen una influència sobre la resposta immune. Aquesta influència pot ser controlada mitjançant el metabolisme de folats, i en particular a través de l'enzim METS1, la síntesi de la qual està al seu torn controlada per determinades modificacions de tRNA mediades per SCS9. / González García, B. (2017). Implicación de las modificaciones de tRNA y del metabolismo de los folatos en la respuesta inmune de Arabidopsis [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86162

[ES] En un contexto de calentamiento global, el estrés abiótico se ha convertido en una de las mayores amenazas para la productividad agrícola. El estrés por frío es uno de estos factores limitantes. Por lo tanto, estudiar a nivel molecular la respuesta de la planta a este tipo de estrés e identificar los genes o los microRNAs cuya función es determinante en la resistencia a este tipo de estrés puede aportar información fundamental para desarrollar plantas tolerantes a frío y así poder aumentar la producción de alimentos en condiciones ambientales adversas. En esta tesis pretendemos dar un enfoque transversal para poder identificar genes implicados en la respuesta a estrés. Por un lado utilizamos un enfoque de biología molecular clásica, y por otro una visión basada en la biología de sistemas y en la secuenciación a gran escala. Mediante esta estrategia hemos sido capaces de identificar y caracterizar el gen BvCOLD1 de Beta vulgaris que codifica una aquaporina localizada en el retículo endoplásmico y que al ser sobrexpresado en plantas de Arabidopsis thaliana confiere tolerancia a frío y a condiciones limitantes de Boro (B). Por lo que demostramos que es un gen fundamental para el transporte de este oligoelemento esencial. En paralelo desarrollamos un abordaje de biología de sistemas a partir de plantas de melón (Cucumis melo) sometidas a estrés por frío. Lo que nos permitió identificar 20 familias de miRNA implicadas en la respuesta en condiciones de frío. En el tercer capítulo profundizamos en la regulación de uno de estos miRNA (miR319) y descubrimos que el frío induce el procesamiento de una forma alternativa de esta molécula. / [CA] En un context d'escalfament global, l'estrès abiòtic s'ha convertit en una de les majors amenaces per a la productivitat agrícola global. L'estrès per fred és un d'aquests factors limitants. Per tant, Estudiar a nivell molecular la resposta de la planta a fred i identificar els gens o els microRNA la funció dels quals és determinant en aquestes condicions pot aportar informació fonamental per desenvolupar plantes tolerants a aquest estrès i així poder augmentar la producció d'aliments en condicions adverses. En aquesta tesi hem utilitzat un enfocament transversal per poder identificar gens implicats en la resposta a estrès. D'una banda hem fet servir mètodes de biologia molecular clàssica, que ens ha permès identificar i caracteritzar el gen BvCOLD1 de Beta vulgaris que codifica una aquaporina localitzada en el reticle endoplasmàtic i que en ser sobrexpresada en plantes d'Arabidopsis thaliana conferia tolerància a fred i a condicions limitants de bor. Pel que hem demostrat que és un gen fonamental per al transport d'aquest oligoelement essencial. En paral·lel hem desenvolupat un abordatge de biologia de sistemes a partir de plantes de meló (Cucumis melo) sotmeses a estrès per fred. El que ens va permetre identificar 20 famílies de miRNA implicades en la resposta en condicions de fred. Hem aprofundit en la regulació d'un d'aquests miRNA (el mi319) i hem descobert que el fred indueix la formació d'una forma alternativa d'aquesta molècula. / [EN] In a context of global warming, abiotic stress has become one of the greatest threats to global agricultural productivity. Cold stress is one of these limiting factors. Therefore, Studying the plant response at the molecular level and identifying the genes or microRNAs whose function is determinant in these conditions can provide fundamental information to develop plants tolerant to this stress and thus be able to increase the production of food under adverse conditions. In this Ph.D. Thesis we have used a transversal approach to identify genes involved in stress response. We have used two different approaches. First we used classical molecular biology methods, which has allowed us to identify and characterize the BvCOLD1 gene of Beta vulgaris that encodes an aquaporin located in the endoplasmic reticulum and which upon overexpression in Arabidopsis thaliana conferred tolerance to cold and limiting conditions of Boron. So we showed that it is a fundamental gene for the transport of this essential trace element. In parallel, we undertook a systems biology approach based on melon plants (Cucumis melo) subjected to cold stress. This allowed us to identify 20 families of miRNA involved in the response to cold conditions. We have further studied the regulation of one of these miRNAs (miR319) and discovered that cold induces the alternative processing of its precursor. / Bustamante González, AJ. (2019). Caracterización de mecanismos implicados en la regulación de la respuesta a estrés por frío en plantas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/118800

[EN] Cells respond to environmental stimuli by fine tuned regulation of gene expression. In this thesis we investigate the dose dependent modulation of the genetic response upon nutrient and stress signals in yeast. A destabilized version of firefly luciferase was used in living yeast cells as a real-time reporter for gene expression. This highly sensitive and non-invasive system can be simultaneously used upon many different experimental conditions in small culture aliquots. This allows the dose-response behaviour of gene expression driven by any yeast promoter to be reported and can be used to quantify important parameters, such as the threshold, sensitivity, response time, maximal activity and synthesis rate for a given stimulus. We applied the luciferase assay to the nutrient-regulated GAL1 promoter and the stress-responsive GRE2 promoter. We find that luciferase expression driven by the GAL1 promoter responds dynamically to growing galactose concentrations, with increasing synthesis rates determined by the light increment in the initial linear phase of activation. The GAL1 gene is activated with continuously increasing synthesis rates in a well defined range of galactose concentrations, correlating with a dynamic increase of histone remodeling and subsequent association of the RNAPII complex. Dose dependent chromatin remodeling appears to be the basis for the dynamic GAL1 expression since mutants with impaired histone dynamics show severely truncated dose response profiles. In the case of the GRE2 promoter, we demonstrate that the very short-lived version of luciferase used here is an excellent tool to quantitatively describe transient transcriptional activation. The luciferase expression controlled by the GRE2 promoter responds dynamically to a gradual increase of osmotic or oxidative stress stimuli, which is mainly based on the progressive increase of the time the promoter remains active. In contrast, the GRE2 promoter operates like an off/on switch in response to increasing osmotic stress with almost constant synthesis rates and exclusively temporal regulation of histone remodeling and RNAPII occupancy. The Gal3 inducer and the Hog1 MAP kinase seem to determine the different dose response strategies at the two promoters. Our analysis reveals important differences in the way dynamic signals create dose sensitive gene expression outputs. Taken together, the luciferase assay described here is an attractive tool to rapidly and precisely determine and compare kinetic parameters of gene expression. Additionally, the function of the specific transcriptor factor Smp1 involved in the yeast osmostress response was investigated. Location analyses upon osmotic stress reveal that Smp1 associates preferentially with the whole transcribed regions (ORFs) upon stress as opposed to other transcriptional activators involved in the osmostress response. However, Smp1 seems to be important for stress-activated gene expression only in the presence of the natural induced gene and not of artificial promoter fusions. This highlights the possible role of Smp1 in regulating gene expression from ORF sequences rather than promoter regions. / [ES] Las células responden a los estímulos ambientales a través de una regulación precisa de la expresión génica. En este trabajo se investigó la modulación dosis dependiente de la expresión de genes activados en respuesta a estrés y por nutrientes. Se utilizó una versión desestabilizada de luciferasa de luciérnaga en células vivas de levadura como reportero para la detección de la expresión génica en tiempo real. Este sistema altamente sensible y no invasivo puede ser utilizado simultáneamente en diferentes condiciones experimentales a través de pequeñas alícuotas de cultivo. Esto permite la caracterización dosis-respuesta de la regulación de los promotores de levadura y puede ser utilizado para cuantificar parámetros importantes como el umbral, la sensibilidad, el tiempo de respuesta, la actividad máxima y el ratio de síntesis provocado por un determinado estímulo. Se aplicó el ensayo luciferasa al promotor GAL1 regulado por nutrientes y al promotor GRE2 activado en respuesta a estrés. Se observó que la expresión de la luciferasa activada por el promotor GAL1 responde de forma dinámica a las crecientes concentraciones de galactosa, con un incremento del ratio de síntesis determinado por el aumento de luz en la fase lineal inicial de la activación, en función de una gama de concentraciones de galactosa bien definidas. Este mecanismo de regulación depende de un aumento en la remodelación de las histonas y la consecuente asociación del complejo ARN pol II. La remodelación de la cromatina dosis dependiente parece ser la base de la expresión dinámica de GAL1, pues los mutantes relacionados con la dinámica de las histonas muestran perfiles dosis respuesta severamente afectados. En el caso del promotor GRE2, se demostró que una versión de una luciferasa desestabilizada es una herramienta excelente para describir de forma cuantitativa la activación transcipcional transitoria. La expresión de la luciferasa controlada por el promotor GRE2 responde de forma dinámica al aumento gradual de estímulo de estrés osmótico u oxidativo. La activación se observa principalmente en el incremento progresivo del tiempo en que el promotor permanece activo. Diferentemente de GAL1, el promotor GRE2 opera a través de un cambio apagado/encendido en respuesta a un aumento de estrés osmótico a través de ratios de síntesis prácticamente constantes y cuya regulación solamente depende de la remodelación de la cromatina y de la permanencia de la ARN pol II. Finalmente, se puede especular que el inductor Gal3 y la MAPK Hog1 son las moléculas determinantes para las diferentes estrategias de respuesta dinámica para los dos promotores. En este trabajo se identifican importantes diferencias en la señalización dinámica determinada por la dosis de estímulo en la expresión génica. En conjunto, el ensayo de luciferasa presentado en este trabajo puede ser una herramienta interesante para determinar y comparar de forma rápida y precisa los parámetros de la expresión génica. Adicionalmente se investigó la función del factor de transcripción Smp1 involucrado en la respuesta a osmoestrés en levadura. Un análisis de la asociación a la cromatina in vivo bajo estrés osmótico demostró que Smp1 se une preferentemente a regiones transcritas (ORFs) lo que refleja un comportamiento diferente comparando con otros activadores transcripcionales de la respuesta a estrés osmótico. Sin embargo, Smp1 parece ser importante para la expresión génica activada por estrés osmótico sólo en la presencia del gen natural inducido y no de fusiones artificiales del promotor. Esto evidencia el posible papel de Smp1 en la regulación de la expresión génica desde secuencias ORF y no en las regiones promotoras. / [CA] Les cèl·lules responen als estímuls ambientals a través d'una regulació precisa de l'expressió gènica. A aquest treball es va investigar la modulació dosi dependent de l'expressió de gens activats en resposta a estrès i per nutrients. Es va utilitzar una versió desestabilitzada de luciferasa de cuca de llum en cèl·lules vives de llevat com a reporter per a la detecció de l'expressió gènica a temps real. Aquest sistema altament sensible i no invasiu pot ser utilitzat simultàniament en diferents condicions experimentals a través de xicotetes alíquotes de cultiu. Això permet la caracterització dosi-resposta de la regulació dels promotors de llevat i pot ser utilitzat per a quantificar paràmetres importants com el llindar, la sensibilitat, el temps de resposta, l'activitat màxima i el rati de síntesi provocat per un determinat estímul. L'assaig luciferasa es va aplicar al promotor GAL1 regulat per nutrients i al promotor GRE2 activat en resposta a estrès. Es va observar que l'expressió de la luciferasa activada pel promotor GAL1 respon de forma dinàmica a les creixents concentracions de galactosa, amb un increment del rati de síntesi determinat per l'augment de llum en la fase lineal inicial de l'activació, en funció d'una gama de concentracions de galactosa ben definides. Aquest mecanisme de regulació depèn d'un augment en la remodelació de les histones i la conseqüent associació del complex ARN pol II. La remodelació de la cromatina dosi dependent sembla ser la base de l'expressió dinàmica de GAL1, ja què els mutants relacionats amb la dinàmica de les histones mostren perfils dosi-resposta severament afectats. En el cas del promotor GRE2, es va demostrar que una versió d'una luciferasa desestabilitzada és una eina excel·lent per a descriure de forma quantitativa l'activació transcripcional transitòria. L'expressió de la luciferasa controlada pel promotor GRE2 respon de forma dinàmica a l'augment gradual d'estímul d'estrès osmòtic o oxidatiu. L'activació s'observa principalment a l'increment progressiu del temps al qual el promotor roman actiu. De forma diferent de GAL1, el promotor GRE2 opera a través d'un canvi apagat/encès en resposta a un augment d'estrès osmòtic a través de ratis de síntesi pràcticament constants i als quals la seua regulació només depèn de la remodelació de la cromatina i de la permanència de l'ARN pol II. Finalment, es pot especular que l'inductor Gal3 i la MAPK Hog1 són les molècules determinants per a les diferents estratègies de resposta dinàmica per als dos promotors. A aquest treball s'identifiquen importants diferències a la senyalització dinàmica determinada per la dosi d'estímul a l'expressió gènica. En conjunt, l'assaig luciferasa presentat a aquest treball pot ser una eina interesant per a determinar i comparar de forma ràpida i precisa els paràmetres de l'expressió gènica. Addicionalment, es va investigar la funció del factor de transcripció Smp1 involucrat en la resposta a osmoestrès en llevat. Una anàlisi de l'associació a la cromatina in vivo sota l'estrès osmòtic va demostrar que Smp1 s'uneix preferentment a regions transcrites (ORFs), el qual reflecteix un comportament diferent comparant amb altres activadors transcripcionals de la resposta a estrès osmòtic. Tot i així, Smp1 sembla ser important per a l'expressió gènica activada per estrès osmòtic només en la presència del gen natural induït i no de fusions artificials del promotor. Això evidencia el possible paper de Smp1 en la regulació de l'expressió gènica des de seqüències ORF i no a les regions promotores. / Rienzo, A. (2016). Estudio de la regulación dinámica de la expresión génica en respuesta a estrés osmótico en levadura [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62160

La homeostasis de la concentración celular de iones es una propiedad fundamental de las células vivas. Muchos parámetros fisiológicos importantes como el volumen celular, la turgencia, el pH intracelular, la fuerza iónica o la concentración interna de cationes dependen de la regulación de los sistemas de toma y salida de los principales cationes monovalentes: protones, sodio y potasio. El potasio, principal catión intracelular en plantas y muchos microorganismos, se retiene de forma activa, por lo que esta presente en el interior de las células a altas concentraciones, siendo el principal determinante de muchos de los parámetros fisiológicos anteriormente comentados. El umbral de toxicidad de otros cationes monovalentes como el sodio o el litio es mucho más bajo que el del potasio, por lo que se debe evitar su acumulación en el citoplasma para proteger enzimas esenciales y sensibles. Las células eucarióticas emplean el transporte activo primario, mediado por ATPasas de tipo P, y el transporte secundario, mediado por canales y cotransportadores, para mantener altas concentraciones de potasio, esencial para las células, y bajas concentraciones de sodio, que puede tener efectos tóxicos. En Saccharomyces cerevisiae el principal sistema de toma de potasio está codificado por los genes TRK1 y TRK2. El trabajo presentado se centra en el estudio de dos proteínas quinasas, Hal4 y Hal5. La sobre-expresión de los genes HAL4 y HAL5 mejora la tolerancia de las células de levadura a cationes tóxicos como el sodio o el litio, mientras que por el contrario, su disrupción produce hipersensibilidad a estos cationes. Se ha comprobado que estos efectos son dependientes del sistema de transporte de potasio Trk1-Trk2, y todo parece indicar que estas dos quinasas funcionan como activadores de este sistema, aumentando la entrada de potasio en las células, y por tanto, haciendo decrecer el potencial de membrana. Esta disminución del potencial de membrana también reduce la toma de cationes / Pérez Valle, J. (2009). Estudio de los mecanismos de la regulación de la homeostasis iónica: Análisis fisiológico y transcriptómico del mutante hal4hal5 de Saccharomyces cerevisiae [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/4329

El factor de transcripción DBP1 de Nicotiana tabacum, es el primer miembro de una nueva familia de reguladores transcripcionales que poseen, además de capacidad de unión al ADN, actividad proteín-fosfatasa de tipo 2C. En este trabajo hemos abordado la caracterización funcional del factor regulador DBP1, determinando que su capacidad de unión al ADN reside en el motivo DNC, el cual se localiza en la región N-terminal de la proteína y está conservado entre las proteínas DBP de diferentes plantas mono y dicotiledóneas. Así mismo hemos llevado a cabo una búsqueda de factores proteicos que interaccionan con DBP1. Así, la isoforma G de la proteína 14-3-3 se presenta como el primer interactor de DBP1, comprometiendo en dicha interacción una zona del dominio N-terminal adyacente al motivo DNC. Mediante expresión transitoria en N. benthamiana hemos podido comprobar que la isoforma G de la 14-3-3 es capaz de promover la exclusión nuclear de DBP1, modificando la distribución núcleo-citoplasma que presenta en condiciones basales y participando así de manera indirecta en la regulación de genes diana de DBP1 como CEVI1. De los cuatro homólogos estructurales de DBP1 identificados en A. thaliana, AtDBP1 es el representante estructuralmente más semejante a DBP1 de tabaco. AtDBP1 mantiene la capacidad de unirse al ADN así como la actividad fosfatasa 2C característica de esta familia, y es capaz de interaccionar a través de su región N-terminal con la proteína GRF6, homóloga a la 14-3-3 G de tabaco. Con el objetivo de identificar dianas de AtDBP1 tanto a nivel transcripcional como post-transcripcional para así averiguar los procesos biológicos en los que están implicados estos factores, se ha realizado un análisis proteómico comparativo entre plantas Col-0 y mutantes atdbp1 que ha puesto de manifiesto una baja acumulación de una de las isoformas del factor de inicio de la traducción 4E, eIF(iso)4E, en el mutante atdbp1. / Castelló Llopis, MJ. (2008). Identificación y caracterización de la familia de factores DBP, nuevos reguladores de la expresión génica en plantas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/6363

En esta Tesis Doctoral se propone una alternativa a la coyuntura actual de rechazo social frente al uso de OMGs en la industria agroalimentaria, mediante la demostración y el desarrollo de un nuevo concepto sobre el uso de las técnicas de biología molecular en la obtención de levaduras modificadas genéticamente, el concepto de Evolución Genómica mediante Diseño Molecular. La idea básica de este nuevo concepto es simple y se basa en imitar a la propia naturaleza en su constante evolución, pero acelerando y dirigiendo el proceso evolutivo con el objeto de seleccionar en un corto periodo de tiempo aquellos cambios genéticos que específicamente hayamos diseñado a escala molecular. Las levaduras no son una entidad invariable en el tiempo, al contrario, como todos los organismos vivos evolucionan con el tiempo. Mediante esta nueva metodología que hemos desarrollado, se consigue acelerar el proceso evolutivo, pues las modificaciones genéticas que hemos introducido se podrían haber efectuado espontáneamente por la levadura en su entorno natural como consecuencia de procesos de recombinación, duplicación o eliminación de elementos genéticos a lo largo de su ciclo reproductivo, aunque indudablemente se habrían perdido sin la presencia de determinadas condiciones de selección y, dada la baja probabilidad de que esos eventos ocurrieran, habrían necesitado de un inmenso periodo de tiempo. Se ha demostrado el concepto de Evolución Genómica mediante Diseño Molecular, mediante la construcción e integración cromosómica de un casete de selección basado en la sobreexpresión del gen YAP1, que da origen a un marcador dominante que confiere resistencia a diversos compuestos tóxicos para las levaduras, tales como cicloheximida y cerulenina. Para el desarrollo de dicho casete de selección nos hemos impuesto y respetado las siguientes condiciones: 1) Utilización de la capacidad de recombinación homóloga de las levaduras del género Saccharomyces; 2) Utilización de material genético procedente exclusivamente de la propia cepa de levadura a evolucionar; 3) El material genético no ha de sufrir ningún paso intermedio de clonaje o expresión en otros sistemas biológicos. Una vez cumplidas todas estas condiciones, las cepas resultantes no deberían responder a la definición oficial de organismos modificados genéticamente de la Unión Europea: ¿organismos en los que su material genético ha sido alterado de una manera que no sucede de forma natural mediante los procesos de reproducción sexual y/o recombinación natural¿. Para alcanzar el objetivo fundamental del proyecto, hemos trabajado inicialmente con un sistema modelo más sencillo, como es el caso de una cepa de una levadura de laboratorio, y a continuación hemos abordado la misma aproximación experimental pero trabajando con una levadura que se emplea en la producción industrial de cerveza tipo ¿lager¿. La metodología experimental que se ha diseñado ha consistido en obtener, sólo mediante reacciones de PCR, una construcción que, posteriormente a su inserción cromosómica mediante recombinación homóloga, pone al gen YAP1 bajo el control de un promotor fuerte de un gen de la ruta de la glicólisis, el promotor del gen PGK1. Se determinó si la sobreexpresión del gen YAP1 en la cepa cervecera evolucionada, era capaz de disminuir la aparición espontánea de mutantes deficientes en respiración (¿petites¿) durante la fermentación del mosto cervecero. La continuada reutilización industrial de la levadura cervecera está asociada con un incremento en la frecuencia de la aparición de ¿petites¿, con el consiguiente efecto negativo sobre el proceso fermentativo. Según los resultados obtenidos, la cepa evolucionada, presenta claramente una menor formación de ¿petites¿ durante su reutilización a lo largo de 10 microfermentaciones sucesivas, con respecto a la cepa parental. Una vez demostrada la viabilidad del concepto de Evolución Genómica mediante Diseño Molecular, el paso siguiente consistió en la aplicación de dicha metodología al desarrollo de levaduras con características de interés industrial. Se han diseñado reorganizaciones cromosómicas sobre 3 tipos de levaduras industriales: a) Una levadura de producción de cerveza tipo¿ lager¿ evolucionada para dar lugar a una baja producción de diacetilo; y en la que el fenotipo buscado se ha obtenido mediante la sobreexpresión del gen ILV5 que codifica para una isomerorreductasa que convierte el ¿-acetolactato en ¿-ß-dihidroxivalerato. De esta forma, se evita la acumulación de ¿-acetolactato en la cerveza y se acorta sensiblemente el proceso de maduración al haberse reducido la producción de diacetilo. La cepa evolucionada consigue disminuir en más de 10 días con respecto a la cepa parental el tiempo necesario para que la concentración de diacetilo esté al nivel que la práctica industrial considera aceptable para dar por finalizado el proceso de ¿lagering¿. b) Una levadura en la que se ha aumentado notablemente su actividad pectinolítica, lo que presenta aplicaciones para su uso en el procesado industrial de material vegetal rico en pectina; y en la que el fenotipo buscado se ha obtenido mediante la sobreexpresión del gen PGU1 que codifica para una endopoligalacturonasa. Se obtuvieron dos nuevas variantes de la cepa parental, una conteniendo el casete de selección y otra en la que dicho casete se eliminó mediante un proceso denominado ¿pop out¿, permitiendo de esta forma la reutilización de dicho casete en sucesivos diseños de reordenación genómica sobre la misma cepa. Ambas variantes presentan un notable incremento de la actividad hidrolítica sobre la pectina sin perjuicio de su producción de etanol ni de su capacidad fermentativa. c) Una levadura vínica comercial que se ha evolucionado en busca de una mejor tolerancia frente a bajas temperaturas. Se ha intentado obtener el fenotipo deseado mediante inactivación del gen INP51 que codifica una enzima inositol polifosfato 5- fosfatasa, implicada en la homeostasis del inositol 4, 5-difosfato, cuya pérdida de función provoca la acumulación de dicho metabolito y, según se ha descrito en la literatura, un aumento de la tolerancia al frío. Se han obtenido nuevas cepas en las que se ha inactivado bien una copia del gen INP51 de la cepa industrial, bien ambas copias. Sin embargo, y contrariamente a lo descrito para la cepas de laboratorio, la inactivación del gen INP51 no aumenta la capacidad de crecimiento frente a bajas temperaturas de la cepa industrial evolucionada. Todos estos ejemplos de aplicación de la metodología desarrollada demuestran la utilidad del concepto de Evolución Genómica mediante Diseño Molecular en la mejora de las cepas de levaduras industriales del género Saccharomyces / Sani, D. (2013). Evolución genómica por diseño molecular de levaduras industriales [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/34325

Tesis por compendio / La presente tesis doctoral, que lleva por título “Diseño de nuevos nanomateriales híbridos con puertas moleculares como nanodispositivos para aplicaciones terapéuticas” está centrada en el desarrollo de nuevos materiales funcionales híbridos orgánico-inorgánicos para aplicaciones de liberación controlada. Los dos capítulos de la presente tesis en los que se describen los resultados obtenidos (el segundo y el tercer capítulos) están directamente relacionados con el uso de las nanopartículas mesoporosas de sílice como matriz inorgánica en el desarrollo de nuevos materiales híbridos orgánico-inorgánicos para aplicaciones en liberación controlada. Aun así, los resultados se han dividido en dos capítulos, dependiendo del estímulo aplicado para la liberación de la molécula encapsulada. En uno de los capítulos, los diferentes materiales desarrollados se basan en nanodispositivos controlados enzimáticamente, mientras que en el otro capítulo es un cambio de pH o de fuerza electroestática (en los dos casos debido a la presencia de un microorganismo patógeno) el que causa la consecuente liberación de la carga. En el caso de los nanodispositivos controlados enzimáticamente, los cuales se describen en el Capítulo 2, se desarrollaron tres sólidos diferentes. El primer ejemplo se basó en el diseño, síntesis y caracterización de nanopartículas mesoporosas de sílice recubiertas con sales de azopiridinio, que se hidrolizan en presencia de esterasas y reductasas, las cuales se encuentran en la microflora del colon. Estas sales, que contienen un enlace azoico, se seleccionaron para una posible liberación selectiva en el colon. Los estudios de viabilidad celular e internalización se llevaron a cabo con células HeLa, así como los estudios de liberación del agente quimioterapéutico camptotecina. Un segundo ejemplo se centró en el diseño, síntesis, caracterización y aplicaciones de un nuevo nanodispositivo que responde a la presencia de proteasas para liberación controlada, empleando nanopartículas de sílice cubiertas con el polímero -poli-L-lisina. En este caso, se pretendía evaluar dos mecanismos diferentes de anclaje del polímero y los dos dieron resultados positivos, aunque presentaron diferentes perfiles de liberación en cada caso. También se realizaron estudios de viabilidad e internalización celular con este nuevo nanodispositivo, así como la liberación de camptotecina en células HeLa. Finalmente, el último nanodispositivo que responde a la acción de un enzima; incluye el diseño y aplicación de un “scaffold” 3D inteligente con puertas moleculares, el cual consiste en la combinación de nanopartículas mesoporosas de sílice con puertas y biomateriales porosos clásicos. En este caso, las nanopartículas mesoporosas de sílice se cubrieron con poliaminas y ATP. Estas nanopartículas se incorporaron durante la síntesis de un “scaffold” de gelatina, el cual se preparó mediante técnicas de prototipado rápido (RP). En presencia de fosfatasa ácida se induce la liberación del colorante encapsulado en los poros de las nanopartículas. La fosfatasa ácida se seleccionó como estímulo activador de este material diseñado, ya que es un enzima cuya concentración se emplea para evaluar la actividad de los osteoclastos en procesos de remodelación ósea y como marcador en metástasis de huesos. Estas propiedades abren posibilidades de uso de esta combinación en el diseño de materiales funcionales para la preparación de numerosos “scaffolds” avanzados con puertas moleculares, que puedan ayudar en aplicaciones de medicina regenerativa y terapias de cáncer de huesos. Con respecto al otro tipo de nanodispositivos, que se muestra en el Capítulo 3, se ha evaluado el posible uso de las nanopartículas mesoporosas de sílice con puertas moleculares como posibles vehículos para la liberación controlada de fármacos cuando un microorganismo patógeno está presente. En este caso, el diseño y desarrollo de nuevos materiales híbridos orgánico-inorgánicos se ha basado en el uso de nanopartículas mesoporosas de sílice como matriz inorgánica, cubiertas con entidades moleculares orgánicas que podrían responder a un cambio en el pH del ambiente o a un cambio en la fuerza electroestática, debido a la presencia de un microorganismo patógeno, tales como hongos o bacterias. Uno de estos nanodispositivos desarrollados demuestra las aplicaciones y propiedades antifúngicas de un soporte cargado con tebuconazol y cubierto con moléculas que actúan de puerta molecular dirigida mediante un cambio de pH. El otro material presenta aplicaciones antibacterianas contra bacterias gram-positivas y gram-negativas, ya que se utiliza un nanodispositivo cargado con vancomicina y funcionalizado con -poli-L-lisina. En los dos casos, se ha demostrado que el uso de la nanoformulación puede mejorar la efectividad del fármaco encapsulado, mejorando y ampliando el espectro de acción del mismo, lo cual abre un gran abanico de posibilidades en aplicaciones de estos nanodispositivos en el tratamiento de infecciones. En resumen, se puede concluir que en la presente tesis se han desarrollado nuevos sólidos híbridos orgánico-inorgánicos, así como se han descrito las aplicaciones de estos nanodisposotivos como sistemas de liberación controlada. Los resultados obtenidos podrían ser útiles en futuros diseños de materiales híbridos avanzados en biotecnología, biomedicina y, concretamente, en aplicaciones terapéuticas (como terapias contra el cáncer, tratamiento de infecciones, medicina regenerativa, etc.) / Mas Font, N. (2014). Design of new hybrid nanomaterials with molecular gates as nanodevices for therapeutic applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/48491 / Compendio

[ES] Las modificaciones químicas post-transcripcionales implican un nuevo nivel de modulación de la expresión génica. Al comienzo de esta Tesis, algunos componentes del complejo de metilación del nitrógeno en posición 6 de la adenosina (m6A) habían sido caracterizados en plantas. Sin embargo, a diferencia de mamíferos y levadura, ninguno de los 13 homólogos de AlkB (atALKBH1-10B) - potenciales desmetilasas (o erasers) - y las 13 proteínas de la familia YTH (ECT1- 11, AT4G11970 y CPSF30) - potenciales proteínas de reconocimiento de m6A (o readers) - identificadas en el genoma de Arabidopsis se habían caracterizado funcionalmente. Además, varios estudios describen la presencia de m6A en RNAs de virus de mamíferos y las diferentes funciones que desempeña esta modificación en la regulación de esas infecciones. No obstante, no se ha estudiado la posible implicación de este mecanismo molecular en las infecciones virales de plantas. El descubrimiento de la interacción entre la CP del virus del mosaico de la alfalfa (AMV) y una proteína de Arabidopsis (atALKBH9B) con homología a una eraser humana fue el punto de partida de esta Tesis. En este trabajo se confirma esta interacción, y se demuestra que atALKBH9B también puede reconocer los RNAs virales. Los resultados revelan que atALKBH9B tiene la capacidad de desmetilar m6A a partir de moléculas de RNA monocatenario in vitro. Esta proteína se acumula en gránulos citoplasmáticos que se colocalizan con siRNA bodies y se asocian a P-bodies, lo que sugiere que su actividad podría estar relacionada con el silenciamiento y/o degradación de mRNA. Por otro lado, ensayos preliminares muestran que los RNAs del AMV, el virus del mosaico del pepino (CMV), el virus de la arruga del nabo (TCV) y el virus del mosaico de la coliflor (CaMV) se metilan durante la infección en Arabidopsis. Además, para AMV y CMV, los resultados fueron corroborados por UPLC-PDA-Tof-MS y los sitios m6A a lo largo de los RNAs del AMV fueron identificados mediante MeRIP-seq. Los resultados presentados confirman que la relación m6A/A a lo largo de los RNAs virales aumenta en plantas atalkbh9b en comparación con las silvestres, mientras que la traducción y/o replicación se ven afectadas y el movimiento sistémico a los tallos florales está prácticamente bloqueado. A diferencia de la CP de AMV, la de CMV no interacciona con atALKBH9B por Y2H y, como ocurre con el resto de virus analizados (CMV, TCV y CaMV), su ciclo de infección no se ve afectado en plantas atalkbh9b. Además, la secuenciación de mRNA realizada en este trabajo revela que la infección por AMV induce algunos genes de Arabidopsis pertenecientes a la maquinaria m6A, MTA, MTB, VIR y ECT5. De acuerdo con el efecto antiviral dependiente de m6A para el AMV y teniendo en cuenta que ECT2, ECT3 y ECT4 fueron recientemente caracterizadas como readers citoplasmáticas, la supresión del módulo ECT2/ECT3/ECT5 aumenta significativamente los títulos sistémicos de AMV y CMV. El efecto antiviral de ECT2 sobre AMV parece estar modulado por su unión directa a los residuos de m6A presentes en los RNAs virales, ya que un mutante de ECT2 defectuoso en el reconocimiento de m6A pierde la actividad antiviral que sí presenta la proteína original y no es capaz de arrastrar RNAs virales in vivo. Por otro lado, acorde a la localización previamente descrita para ECT2 y ECT4 y la capacidad de ECT2 para experimentar una fase similar al gel in vitro, la expresión transitoria de ECT5 muestra un patrón citoplasmático con formación de agregados. Se propone que, como se ha descrito para las proteínas YTH de mamíferos, la interacción entre las ECTs y el RNA polimetilado (en este caso, RNA viral) promovería la formación de gránulos de estrés y, en consecuencia, reduciría las tasas de traducción y replicación viral. En resumen, en este trabajo se caracteriza la primera m6A eraser de plantas, atALKBH9B, y, por primera vez, se describe la influencia del mecanismo de metilación m6A en las infecciones virales de plantas. / [EN] Post-transcriptional chemical modifications entail a new level of gene expression modulation. At the beginning of this Thesis, some components of the N6-adenosine methylation (m6A) complex had been characterized in plants, whereas 13 homologs of AlkB (atALKBH1-10B) - putative demethylases (or erasers) - and 13 proteins of the YTH family (ECT1-11, AT4G11970 and CPSF30) had been identified in the Arabidopsis genome. However, unlike mammals and yeast, no functional roles had been described for any of these proteins. Besides, several reports have brought to light the presence of m6A residues in viral RNAs from mammalian viruses and the critical roles that this modification plays regulating viral infections. However, the potential relevance of this molecular mechanism on plant viral infections remained fully unexplored. The discovery of the interaction between the AMV CP and an Arabidopsis protein (atALKBH9B) with similarity to a human eraser was the starting point of this Thesis. Here, this interaction is confirmed and it is demonstrated that atALKBH9B can also recognize the viral RNAs. Furthermore, the obtained results prove that atALKBH9B has the capability of demethylating m6A from single-stranded RNA molecules in vitro. This protein was observed to accumulate in cytoplasmic granules that colocalize with siRNA-bodies and associate to P-bodies, suggesting that atALKBH9B activity could be related to mRNA silencing and/or decay processes. On the other hand, preliminary assays show that viral RNAs of AMV, Cucumber mosaic virus (CMV), Turnip crinkle virus (TCV) and Cauliflower mosaic virus (CaMV) become methylated during infection in Arabidopsis. Besides, for AMV and CMV, the results were corroborated by UPLC-PDA-Tof-MS and m6A sites along the RNAs of AMV were identified through MeRIP-seq approach. The results presented here confirm that m6A/A ratio along viral RNAs is increased in atalkbh9b plants compared to wild type, whereas translation and/or replication are impaired and systemic movement to the floral stems is practically blocked. In contrast to AMV, CMV CP does not interact with atALKBH9B by Y2H and, as it occurs with the rest of the assayed viruses (CMV, TCV and CaMV), its infection cycle is not affected in atalkbh9b plants. Furthermore, the mRNA-seq analysis performed in this Thesis reveals that some Arabidopsis factors belonging to the m6A machinery, MTA, MTB, VIR and ECT5 genes, are upregulated upon AMV infection. Consistent with the m6A-dependent antiviral effect for AMV and considering that ECT2, ECT3 and ECT4 were recently characterized as cytoplasmic m6A readers, mutations of ECT2/ECT3/ECT5 Arabidopsis module significantly increase AMV and CMV systemic titers. The antiviral effect of ECT2 on AMV seems to be modulated via its direct binding to the m6A residues presented in the viral RNAs, since an ECT2 mutant defective in m6A recognition loses wild type antiviral activity and is not able to pull down viral RNAs in vivo. On the other hand, according to the previous subcellular localization described for ECT2 and ECT4 and the ability of ECT2 to undergo gel-like phase in vitro, the transitory expression of ECT5 displays a cytoplasmic pattern with the formation of some aggregates. As found for mammal YTH proteins, the interaction between ECTs and poly-methylated RNA (in this case viral RNA) is proposed to promote the formation of stress granules and, consequently, reduce viral translation and replication rates. In summary, in this work, atALKBH9B is reported as the first m6A eraser identified in plants and, for the first time, it is described the influence of m6A methylation mechanism in plant viral infections. / [CA] Les modificacions químiques post-transcripcionals impliquen un nou nivell de modulació de l'expressió gènica. Al començament d'esta Tesi, s'havien caracteritzat alguns components del complex de metilació del nitrogen en posició 6 de la adenosina (m6A) en plantes. No obstant això, a diferència de mamífers i llevat, cap dels 13 homòlegs d'AlkB (atALKBH1-10B) - potencials desmetilases (o erasers) - i les 13 proteïnes de la família YTH (ECT1- 11, AT4G11970 i CPSF30) - potencials proteïnes de reconeixement de m6A (o readers) - identificades en el genoma d'Arabidopsis s'havien caracteritzat funcionalment. A més, diversos estudis han descrit la presència de residus m6A en RNAs de virus de mamífers i les diferents funcions que exercix esta modificació en la regulació de les infeccions virals. No obstant això, no s'ha estudiat la possible implicació d'este mecanisme molecular en les infeccions virals de plantes. El descobriment de la interacció entre la CP del virus del mosaic de l'alfals (AMV) i una proteïna d'Arabidopsis (atALKBH9B) amb homologia a una eraser humana va ser el punt de partida d'esta Tesi. En este treball es confirma esta interacció, i es demostra que atALKBH9B també pot reconéixer els RNAs virals. Els resultats revelen que atALKBH9B té la capacitat de desmetilar m6A a partir de molècules de RNA monocatenari in vitro. Esta proteïna s'acumula en grànuls citoplasmàtics que es colocalitzen amb siRNA bodies i s'associen a P-bodies, la qual cosa suggerix que l'activitat atALKBH9B podria estar relacionada amb els processos de silenciament i/o degradació de mRNA. D'altra banda, assajos preliminars mostren que els RNAs virals de l'AMV, el virus del mosaic del cogombre (CMV), el virus de l'arruga del nap (TCV) i el virus del mosaic de la coliflor (CaMV) es metilen durant la infecció en Arabidopsis. A més, per AMV i CMV els resultats van ser confirmats per UPLC-PDA-Tof-MS i els llocs m6A al llarg dels RNAs d'AMV s'identificaren mitjançant MeRIP-seq. Els resultats presentats confirmen que la relació m6A/A al llarg dels RNAs virals augmenta en les plantes atalkbh9b en comparació amb les silvestres, mentre que la traducció i/o replicació es veuen afectades i el moviment sistèmic a les tiges florals està pràcticament bloquejat. A diferència de la CP d'AMV, la de CMV no interacciona amb atALKBH9B per Y2H i, com ocorre amb la resta dels virus analitzats (CMV, TCV i CaMV), el seu cicle d'infecció no es veu afectat en plantes atalkbh9b. A més, la seqüenciació de mRNA realitzada en este treball revela que la infecció per AMV indueix alguns gens d'Arabidopsis pertanyents a la maquinària m6A, MTA, MTB, VIR i ECT5. D'acord amb l'efecte antiviral dependent de m6A per a l'AMV i tenint en compte que ECT2, ECT3 i ECT4 van ser recentment caracteritzades com readers citoplasmàtiques, la supressió del mòdul ECT2/ECT3/ECT5 augmenta significativament els títols sistèmics d'AMV i CMV. L'efecte antiviral d'ECT2 sobre AMV sembla estar modulat a través de la seua unió directa als nucleòtids m6A presents en els RNAs virals, ja que un mutant de la proteïna ECT2 defectuós en el reconeixement de m6A perd l'activitat antiviral que sí que presenta la proteïna original i no és capaç d'arrossegar RNAs virals in vivo. D'altra banda, d'acord amb la localització subcel·lular descrita prèviament per a ECT2 i ECT4 i la capacitat d'ECT2 per a experimentar una fase similar al gel in vitro, l'expressió transitòria d'ECT5 mostra un patró citoplasmàtic amb la formació d'agregats. Es proposa que, com s'ha descrit per a les proteïnes YTH de mamífers, la interacció entre les ECTs i el RNA polimetilat (en aquest cas, RNA viral) promouria la formació de grànuls d'estrès i, en conseqüència, reduiria les taxes de traducció i replicació viral. En resum, en este treball es caracteritza la primera m6A eraser de plantes, atALKBH9B, i, per primera vegada, es descriu la influència de l'mecanisme de metilació M6A en les infeccions virals de plantes. / Martínez Pérez, M. (2020). Involvement of the host RNA N6-adenosine methylation (m6A) pathway in the infection cycle of Alfalfa mosaic virus [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/155976