Tesis presentada a la Universidad de Chile para optar al grado académico de Magister en Bioquímica en el área de especialización Toxicología y Diagnóstico Molecular y Memoria para optar al título profesional de Bioquímico / La hipertrofia cardiaca es un proceso fisiopatológico que busca compensar un incremento en la carga de trabajo del corazón. Este proceso se caracteriza por un incremento en el tamaño de los cardiomiocitos, células encargadas de la contracción del corazón, llevando a un aumento en el tamaño de este órgano. En un principio la hipertrofia busca mejorar la función cardiaca, fenómeno conocido como hipertrofia adaptativa. Si esta condición se mantiene en el tiempo se produce hipertrofia patológica, que se caracteriza por ser irreversible y predisponer al desarrollo de arritmias, insuficiencia cardiaca y muerte súbita. Al mismo tiempo, el corazón hipertrófico presenta importantes cambios en su metabolismo energético, homeostasis del Ca2+ y un estado de resistencia a la insulina. La insulina es una hormona fundamental para la regulación del metabolismo energético del organismo y es clave en el control de los niveles plasmáticos de glucosa. En el corazón, su principal función es promover la entrada de glucosa al cardiomiocito y favorecer su uso como fuente energética, promoviendo la glicólisis y su posterior oxidación en la mitocondria. La resistencia a insulina en el corazón como la observada en hipertrofia, se asocia a una menor capacidad de trabajo y constituye un factor de riesgo para insuficiencia cardiaca y muerte post-isquemia, por lo que conocer con mayor profundidad sus características moleculares es de gran importancia. Recientemente se ha descrito que la salida de Ca2+ desde el retículo endoplasmático (principal reservorio intracelular de Ca2+) a través de los receptores/canales de inositol-1,4,5-trifosfato es un elemento clave para la acción metabólica de insulina, incluida la captación de glucosa. Por otro lado, se sabe que la mitocondria regula las señales mediadas por Ca2+, actuando como un amortiguador e incorporando Ca2+ luego de un incremento de sus niveles en el citoplasma. A su vez, este Ca2+ es un importante regulador del metabolismo mitocondrial. A pesar de su capacidad para generar una liberación de Ca2+ al citoplasma, se desconoce si insulina regula el metabolismo mitocondrial mediante un incremento en los niveles de Ca2+ en la mitocondria. Por otro lado, se desconoce si la resistencia a insulina generada por hipertrofia ocurre a consecuencia de una menor liberación de Ca2+ en respuesta a esta hormona. A fin de responder estas interrogantes, el principal objetivo de esta tesis consistió en evaluar si los cardiomiocitos hipertróficos presentan una menor señal de Ca2+ citoplasmático y/o mitocondrial en respuesta a insulina comparado con cardiomiocitos controles. Para evaluar esta posibilidad, cultivos primarios de cardiomiocitos de rata se estimularon con noradrenalina, un estímulo clásico para generar hipertrofia patológica, por 24 h y luego se midió la señal de Ca2+ en respuesta a insulina. Para comprobar que estos cardiomiocitos presentaban una menor respuesta a insulina se evaluaron la fosforilación de Akt, un marcador de los efectos metabólicos de esta hormona, y el consumo de oxígeno, un marcador de la actividad metabólica mitocondrial. Se observó una reducción de ambos parámetros en cardiomiocitos hipertróficos en respuesta a insulina. La señal de Ca2+ en respuesta a insulina se midió mediante microscopía confocal y sondas fluorescentes sensibles al Ca2+ destinadas específicamente al citoplasma y la mitocondria. Los cardiomiocitos hipertróficos mostraron una marcada reducción en el incremento del Ca2+ mitocondrial en respuesta a insulina, mientras que el incremento en el Ca2+ citoplasmático no se modificó. Mediante un estudio de colocalización usando microscopia confocal y sondas fluorescentes organelo-especificas, se determinó que la menor entrada de Ca2+ a la mitocondria se podría deber a un alejamiento entre el retículo endoplasmático y la mitocondria. Luego, mediante el uso de rojo rutenio, un inhibidor de la entrada de Ca2+ a la mitocondria, se determinó que este evento es necesario para la fosforilación de Akt y para el incremento en el consumo de oxígeno en respuesta a insulina. De esta forma, el incremento en el Ca2+ mitocondrial surge como un importante intermediario en la respuesta a insulina que regula la respuesta metabólica inducida por esta hormona, mientras que el bloqueo en el traspaso de Ca2+ a la mitocondria podría ser un importante mecanismo patológico que reduce la respuesta a insulina / Cardiac hypertrophy is a pathophysiological process that aims to compensate an increase in the working load of the heart. This process is characterized by an increase in cardiomyocyte size, the cells in charge of heart contraction, leading to an enlargement of this organ. In the beginning, hypertrophy aims to improve cardiac function, a process known as adaptative hypertrophy. If it is maintained in time it can turn into a pathological hypertrophy, which is irreversible and predisposes to arrhythmia, heart failure and sudden death. At the same time, the hypertrophic heart shows significant changes on energy metabolism, Ca2+ handling and an insulin resistant condition. Insulin is a key regulator of energy metabolism and plasma glucose levels. In the heart, its main function is to promote glucose entry to the cardiomyocytes and its use as an energy source through the activation of glycolysis and oxidation in the mitochondria. Insulin resistance observed in cardiac hypertrophy is associated with a reduced working capacity and is a risk factor for heart failure and post-ischemic cell death. That is the reason why a better understanding of its molecular characteristics is of great relevance. Recently, it has been described that Ca2+ exit from the endoplasmic reticulum (the main reserve of intracellular Ca2+) through inositol 1,4,5-triphosphate receptor/channel is a key element for insulin action, including glucose uptake. In addition, it is known that mitochondrion is very important in the regulation of Ca2+ signals, acting as a buffer and up taking Ca2+ after an increase in its cytoplasmic levels, especially following a release through this channel. At the same time, this Ca2+ is an important regulator of mitochondrial metabolism. In spite of its Ca2+-releasing capacity, it is not known if insulin regulates mitochondrial metabolism through an increase in mitochondrial Ca2+ levels. Additionally, it is also unknown if the insulin resistance generated by hypertrophy occurs in response to a reduced Ca2+ release in response to this hormone. In order to answer these queries, the main objective of this thesis consisted in evaluating if hypertrophic cardiomyocytes show a reduced mitochondrial and/or cytoplasmic Ca2+ signal after insulin stimulation compared to normal cardiomyocytes. To evaluate this possibility, neonatal rat cardiomyocytes where stimulated with norepinephrine, a classic stimulus to generate pathologic hypertrophy, for 24 h and then the Ca2+ signal in response to insulin was measured. In order to confirm the reduced insulin response of these cardiomyocytes, Akt phosphorilation, a marker of the metabolic action of insulin, and oxygen consumption, a measure of mitochondrial metabolic activity, were evaluated after insulin stimulation. Both parameters showed a reduction in hypertrophic cardiomyocytes in response to insulin. Insulin Ca2+-signal was measured by confocal microscopy and cytoplasm and mitochondrion-selective Ca2+- sensitive fluorescent probes. Hypertrophic cardiomyocytes showed a reduction in mitochondrial Ca2+ increase after insulin stimulation, whereas cytoplasmic Ca2+ increase was unaffected. By a colocalization analysis using confocal microscopy and organelle-specific fluorescent probes, it was determined that a reduction in contacts between both organelles could explain the reduction in Ca2+ transfer in hypertrophic cardiomyocytes. Finally, pharmacological blocking of Ca2+ entry to the mitochondria through the use of ruthenium red showed that this process was necessary to the increase of Akt phosphorilation and oxygen consumption after insulin stimulation. In this way, mitochondrial Ca2+ uptake comes as a novel and significant mediator in the regulation of insulin response, while the blockade of Ca2+ transfer to the mitochondria could by an important pathological mechanism that leads to insulin resistance / FONDAP; FONDECYT

Memoria para optar al título de Químico Farmacéutico / La hipertrofia cardiaca es una respuesta adaptiva a distintos estímulos que incrementan la demanda contráctil e involucran un aumento en la masa y tamaño del corazón. Se distinguen dos tipos de hipertrofia: fisiológica, de carácter reversible; y patológica, irreversible y generada por distintos estímulos, entre ellos la norepinefrina (NE). Por otro lado, la mitocondria es el organelo responsable de generar la energía necesaria para la contracción del cardiomiocito, formando una red dinámica cuya morfología y función dependen de procesos de fusión y fisión, procesos que son afectados en la hipertrofia inducida por NE, produciéndose un fenotipo mitocondrial fisionado. Angiotensina (1-9), es un péptido del sistema renina-angiotensina-aldosterona no canónico, con propiedades anti-hipertróficas frente al estimulo NE. Por lo tanto, el objetivo de este estudio consistió en determinar si Angiotensina-(1-9) modula la dinámica mitocondrial del cardiomiocito y previene la fisión mitocondrial inducida por el estimulo pro-hipertrófico de NE. Los resultados mostraron que Angiotensina (1-9) 100 μM promueve un aumento en la fusión mitocondrial a los tiempos 1, 3, 6 y 24 h, asociándose con una disminución en la migración de Drp1 hacia la mitocondria, sin modificar la masa de las proteínas relacionadas con la fusión, OPA1 y Mfn2. La preincubación por 6 h con Angiotensina (1-9) previno la fisión mitocondrial dependiente de NE (10 μM por 24 h). La preincubación con el antagonista del receptor MAS A779 no afectó la fusión mitocondrial inducida por angiotensina-(1-9). La pre-incubación con el antagonista del receptor AT2 PD 123.319 bloqueó la fusión mitocondrial inducida por angiotensina-(1-9). Por lo tanto, angiotensina (1-9) modula la dinámica mitocondrial de cardiomiocitos neonatos vía receptor AT2, fusionando y previniendo la fisión producida por el estimulo pro-hipertrófico NE / Cardiac hypertrophy is an adaptive response to several stimuli that raises contractile myocardial demand and involves increases in mass and size. Heart hypertrophy is classified in; a) physiological one (reversible) and b) pathological which is irreversible and generated by stimuli, including norepinephrine (NE). On the other hand, mitochondria are the organelle responsible for the generation of the necessary energy for cardiomyocyte contraction, forming a dynamic network whose morphology and function depend on fusion and fission processes. We have previously shown that NE induces cardiac hypertrophy with a concomitant mitochondrial fission.Angiontensin (1-9) is a novel anti-hypertrophic peptide of the non-classical renin-angiotensin system. The aim of this study was to determine whether Angiotensin (1-9) modulates mitochondrial dynamics and prevents NE-induced mitochondrial fission. The results showed that treatment or cardiomyocytes with Angiotensin (1-9) (100 M for 1 to 24 h) produced fusion associated with an decrease in Drp1 migration to mitochondria, without changes in the levels of the fusion proteins Opa1 and Mfn2. Parallel, mitochondrial fission generated by NE 10 μM 24 h was prevented by the pre-incubation (6 h) of cardiomyocytes with Angiotensin (1-9). Pre-incubation with MAS antagonist A779 did not affect the mitochondrial fusion induced by Angiotensin-(1-9). Pre-incubation with AT2 receptor antagonist PD 123.319 prevented mitochondrial fusion induced by Angiotensin-(1-9). In summary, Angiotensin-(1-9) modulates cardiomyocyte mitochondrial dynamics through AT2 receptor, fusing and preventing NE-induced mitochondrial fission / Fondecyt, Fondef, Mecesup

Doctora en Bioquímica / Autorizada por el autor, pero con restricción para ser publicada a texto completo hasta diciembre de 2015, en el Portal de Tesis Electrónicas / El catabolismo de proteínas es un proceso celular fundamental que ha captado la atención de distintos investigadores en los últimos años. Existen dos mecanismos por los cuales la célula degrada proteínas defectuosas: uno extralisosomal, mediado esencialmente por el proteosoma, y otro denominado lisosomal, en el cual este organelo tiene un papel protagónico en la degradación de proteínas, especialmente en las de vida media prolongada. La célula utiliza tres vías para degradar las proteínas a través del lisosoma: macroautofagia, microautofagia y autofagia mediada por chaperonas (AMC). Esta última se activa bajo condiciones de estrés fisiológico tales como la privación de nutrientes. Proteínas citosólicas con una secuencia aminoacídica particular son reconocidas por un complejo de proteínas chaperonas y destinadas al lisosoma para ser degradadas vía AMC, esta última se distingue de la macroautofagia principalmente en que no requiere tráfico vesicular. Las proteínas sustrato a ser degradadas se unen a la proteína receptora LAMP-2A, presente en la membrana lisosomal por lo que tanto sus niveles como los de Hsc70 (chaperona requerida para este proceso proteolítico) en el lisosoma se relacionan directamente con la velocidad de degradación de AMC. El recambio de proteínas intracelulares es de particular importancia en células terminalmente diferenciadas como son los cardiomiocitos y las neuronas, pues cualquier desequilibrio induce la acumulación de proteínas anormales. Diferente es lo que ocurre en células con alta capacidad proliferativa, en las cuales este efecto se mitiga por dilución a través de múltiples divisiones celulares. La oxidación de proteínas es una consecuencia del metabolismo aeróbico, así como la producción de especies reactivas de oxígeno (EROs). Paralelamente, también se ha observado aumento de EROs en estados de estrés fisiológico, modificando las proteínas y favoreciendo su agregación al interior de la célula. Finalmente, este último proceso se asocia a diferentes estados patológicos por lo cual su remoción o la prevención de su formación son fundamentales para la sobrevida celular. Siendo la AMC un mecanismo involucrado en la degradación de proteínas especialmente bajo condiciones de estrés, se requiere establecer si ella se activa en cardiomiocitos privados de nutrientes, conocer cómo se regula y cuál es su interdependencia con la formación de EROs. Con esta finalidad, esta tesis tiene como hipótesis: “La privación de nutrientes estimula la autofagia mediada por chaperonas en el cardiomiocito como un mecanismo protector frente a daño oxidativo”. / The catabolism of proteins is a fundamental cellular process that has captured the attention of several researchers in the recent years. There are two mechanisms by which the cell degrades defective proteins: one extralysosomal, mediated primarily by the proteasome, and another called lysosomal, in which this organelle has a key role in protein degradation, especially in the long half-life proteins. In the last case, the cell may use three mechanisms to degrade proteins: macroautophagy, microautophagy and chaperone-mediated autophagy (CMA). The latter is activated under physiological stress conditions such as nutrient deprivation. Cytosolic proteins with a specific amino acid sequence are recognized by a chaperone protein complex and destined into the lysosome for degradation via CMA, the latter is distinguished mainly from macroautophagy by requiring no vesicular traffic. The substrate protein to be degraded bind to the receptor protein LAMP-2A present in the lysosomal membrane, therefore substrate protein and Hsc70 levels (chaperone required for this proteolytic process) in the lysosome are directly related to the rate of degradation AMC. The turnover of intracellular proteins is of particular importance in terminally differentiated cells such as cardiomyocytes and neurons, since any imbalance induces the accumulation of abnormal proteins. In those cells with high proliferative capacity, this effect is mitigated by dilution through multiple cell divisions. The protein oxidation is a consequence of aerobic metabolism and the production of reactive oxygen species (ROS). In parallel, it has been shown that the increase in ROS during physiological stress, modifying proteins and promoting their aggregation into the cells. Finally, this latter process is associated with various disease states for which removal or prevention of their formation are essential for cell survival. Being the AMC a mechanism involved in protein degradation, especially under stress, it is important to establish whether AMC is activated in nutrient-deprived cardiomyocytes, how is regulated and its interdependence with ROS generation. To this end, we propose the following hypothesis: "The deprivation of nutrients stimulates chaperone-mediated autophagy in cardiomyocytes as a protective mechanism against oxidative damage." / CONICYT FONDAP Anillo ACT 1111

Tesis Magíster en Bioquímica, Área de Especialización en Bioquímica Toxicológica y Diagnóstico Molecular, y Memoria para optar al Título de Bioquímico / dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD+) es una coenzima con múltiples funciones. Participa en el metabolismo redox como molécula transportadora de electrones en procesos metabólicos, actúa como indicador del estado energético celular, y es también sustrato de numerosas enzimas implicadas en la desacetilación de reguladores transcripcionales y la movilización de Ca2+ intracelular, entre otros. Diversas investigaciones sugieren que la disminución de los niveles de NAD+ es un factor importante en la progresión de enfermedades cardiovasculares. En diferentes modelos de miocardiopatías se ha observado una disminución en la expresión de la enzima marcapaso de la síntesis de NAD+, Nampt. También se ha descrito que los niveles de NAD+ están disminuidos en condiciones de riesgo cardiovascular como son el envejecimiento, dislipidemia y diabetes mellitus tipo 2. El objetivo de este trabajo fue determinar los efectos de la disminución de NAD+ en el metabolismo y la capacidad adaptativa de los cardiomiocitos. Se utilizó el inhibidor de Nampt, FK866, para disminuir los niveles de NAD+ en cultivos primarios de cardiomiocitos de ratas neonatas. Se evaluó la viabilidad, el metabolismo mitocondrial y la respuesta adaptativa del cardiomiocito a estímulos de insulina, peróxido de hidrógeno (H2O2) y norepinefrina (NE). Los resultados mostraron que la disminución de NAD+ por FK866 redujo el metabolismo mitocondrial sin afectar la viabilidad de los cardiomiocitos. Además, disminuyó la fosforilación de Akt en respuesta a insulina, la sobrevida frente a H2O2 y previno el aumento del área celular y sarcomerización en respuesta a NE. Para evaluar la relación de causalidad entre la disminución de NAD+ y estos efectos, se rescataron los niveles de NAD+ mediante la administración de nicotinamida mononucleótido (NMN). Se observó la recuperación de los parámetros metabólicos y la sobrevida a H2O2, pero no se restableció la respuesta hipertrófica. En conclusión, este trabajo muestra que NAD+ es esencial para el metabolismo mitocondrial del cardiomiocito, y sugiere su participación en la vía de señalización de insulina y en la respuesta adaptativa a H2O2 y NE. / The nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) is a coenzyme with multiple functions. In redox metabolism participates as an electron carrier in metabolic processes, is a cellular energetic status indicator and it is also substrate of many enzymes involved in transcription factor deacetylation and Ca2+ mobilization, among others. Several reports suggest that NAD+ levels are an important factor in cardiovascular diseases progression. In different cardiomyopathy models the expression of the NAD+ synthesis rate-limiting enzyme, Nampt is diminished. Also NAD+ levels are decreased in cardiovascular risk conditions such as aging, dyslipidemia and type 2 diabetes mellitus. The aim of this work was to determine the effects of NAD+ decrease on cardiomyocytes’ metabolism and adaptive capability. The Nampt inhibitor, FK866, was used to reduce NAD+ levels in primary cultures of neonatal rat cardiomyocytes, and viability, mitochondrial metabolism, and cardiomyocytes adaptive response to insulin, hydrogen peroxide (H2O2) and norepinephrine (NE) stimuli were assessed. The results showed that the NAD+ reduction induced by FK866 decreased mitochondrial metabolism without affecting cardiomyocytes viability. Insulin-stimulated Akt phosphorylation and H2O2-survival were also diminished and cellular area increase and sarcomerization induced by NE was prevented. The causality between NAD+ decrease and those effects was assessed through NAD+ levels recovery by nicotinamide mononucleotide (NMN) administration. Both metabolism and H2O2-survival were reestablished, but not the hypertrophic response. In conclusion this work reveals that NAD+ is essential for cardiomyocyte mitochondrial metabolism, and suggest its participation on insulin signaling pathway and adaptive responses to H2O2 and NE. / Fondap; Fondecyt

Magíster en Bioquímica, área de especialización Bioquímica Toxicológica y Diagnóstico Molecular / Memoria para optar al Título de Bioquímica / La obesidad y la diabetes son condiciones altamente prevalentes que representan un importante factor de riesgo para el desarrollo de patologías cardiovasculares, principal causa de muerte entre los pacientes diabéticos. La lipotoxicidad y las alteraciones metabólicas juegan un papel fundamental en la resistencia a la hormona insulina y el daño cardiaco en estos pacientes. Los cardiomiocitos son las unidades funcionales del corazón y poseen un alto requerimiento energético que depende en su mayor parte de la función mitocondrial. Las mitocondrias forman una red dinámica que se remodela constantemente por eventos de fisión y fusión. La mantención de una morfología mitocondrial balanceada es fundamental para mantener una funcionalidad adecuada de este organelo. El objetivo de este trabajo fue investigar el efecto de las ceramidas, que derivan del metabolismo lipídico, en la señalización de la insulina y la dinámica mitocondrial en cultivos primarios de cardiomiocitos de rata. La señalización de insulina se evaluó mediante Western blot para Akt fosforilada y la morfología mitocondrial por microscopía confocal en células teñidas con Mitotracker Green. El tratamiento de los cardiomiocitos con C2-ceramida (40 μM, 3 h) disminuyó la fosforilación de Akt basalmente y en respuesta a insulina y favoreció la fisión mitocondrial, aumentando la translocación de la proteína de fisión Drp-1 hacia este organelo. Para evaluar si ambos efectos estaban relacionados, se inhibió la actividad de Drp-1 mediante el uso de un dominante negativo y de un inhibidor químico, antes del tratamiento con C2-ceramida. La inhibición de Drp-1 mediante ambas herramientas previno la fisión mitocondrial causada por C2-ceramida y rescató la fosforilación de Akt en respuesta a insulina. Trabajos previos de nuestro laboratorio muestran que el tratamiento de los cardiomiocitos con palmitato 500 μM durante 3 h también induce fisión de la red mitocondrial. En este trabajo se mostró que al inhibir la síntesis de ceramidas a partir de palmitato se previene, en parte, los efectos de este ácido graso sobre la dinámica mitocondrial de los cardiomiocitos. En conclusión, la fragmentación de la red mitocondrial inducida por ceramidas es necesaria para la disminución de la señalización de insulina en los cardiomiocitos. Además, la fisión mitocondrial inducida por palmitato en este modelo depende en parte de la generación de ceramidas. / Obesity and diabetes are highly prevalent conditions that represent an important risk factor for the development of cardiovascular diseases, the main cause of death in diabetic patients. Lipotoxicity and metabolic alterations take part in insulin resistance and heart damage in these patients. Cardiomyocytes are the functional basic units of the heart and have a high energy requirement that depends largely on mitochondrial function. Mitochondria form a dynamic network that is constantly remodelled by fission and fusion events. The maintenance of a balanced mitochondrial morphology is critical to maintain a proper functionality of this organelle. The aim of this study was to investigate the effect of ceramides, derived from lipid metabolism, in insulin signalling and mitochondrial dynamics in primary cultures of rat cardiomyocytes. Insulin signalling was assessed by Western blot for phosphorylated Akt and mitochondrial morphology by confocal microscopy in Mitotracker Green-stained cells. Treatment of cardiomyocytes with C2-ceramide (40 μM, 3 h) decreased the phosphorylation of Akt at baseline and in response to insulin and induced mitochondrial fission, increasing the translocation of the fission protein Drp-1 to this organelle. To assess whether both effects were related, Drp-1 activity was inhibited by using a dominant negative and a chemical inhibitor, before treatment with C2-ceramide. The inhibition of Drp-1 by both tools prevented mitochondrial fission caused by C2-ceramide and rescued Akt phosphorylation in response to insulin. Previous work in our laboratory showed that treatment of cardiomyocytes with palmitate 500 μM for 3 h also induces mitochondrial fission. We showed that inhibiting the synthesis of ceramides from palmitate prevented in part the effects of this fatty acid on mitochondrial dynamics in cardiomyocytes. In conclusion, the mitochondrial network fragmentation induced by ceramides is required for the decrease of insulin signalling in cardiomyocytes. Furthermore, palmitate-induced mitochondrial fission in this model depends in part on the generation of ceramides. / Fondap, Fondecyt

Memoria para optar al título de Bioquímico / Las enfermedades cardiovasculares isquémicas son una de las principales causas de muerte en Chile. En estas patologías, los cardiomiocitos están expuestos a privación de nutrientes, hipoxia y estrés osmótico. Nuestro laboratorio ha estudiado el efecto del estrés hiperosmótico sobre el cardiomiocito. Sin embargo se desconocen las consecuencias del estrés hiposmótico ya que a diferencia de otros tipos celulares, las células cardíacas no están expuestas fisiológicamente a grandes fluctuaciones en la osmolaridad externa. Durante los procesos de isquemia y reperfusión, los cardiomiocitos se exponen a estrés oxidativo, desbalance redox intracelular e hiposmolaridad, pudiendo ser las consecuencias de esta última muy severas para el corazón, debido a los cambios electrofisiológicos que acompañan al hinchamiento celular. Este aumento del volumen celular es especialmente marcado durante la reperfusión, evento indispensable para reestablecer la irrigación sanguínea y rescatar al miocardio. Esta memoria estudió el efecto de las especies reactivas de oxígeno en la regulación del volumen y muerte activada por estrés hiposmótico en cardiomiocitos. Nuestros resultados a través de calceína-AM y microscopia confocal, muestran que cultivos primarios de cardiomiocitos de ratas neonatas expuestos a estrés hiposmótico con soluciones 248 ó 202 mOsm (medio de cultivo diluido 15% y 30% con agua), aumentaron su volumen en un 40 y 60%, respectivamente. Estas células no presentaron disminución regulada de volumen (RVD) espontáneamente, ni en presencia de gramicidina (inductor de RVD). El estrés hiposmótico generó especies reactivas del oxígeno (ROS), evaluada por diclorofluoresceina, siendo el radical hidroxilo la principal especie radicalaria detectada por resonancia de espín electrónico (ESR), usando el atrapador 5,5-dimetilpirrolina 1-óxido. El origen de ROS se determinó observando el efecto de apocinina (inhibidor NADPH oxidasa), rotenona (inhibidor mitocondria), alopurinol (inhibidor xantino oxidasa) y N-acetil-cisteína sobre la oxidación de diclorofluoresceina (DCF-DA). Los resultados muestran que sólo apocinina inhibió la generación de ROS dependiente del estrés hiposmótico. Mediante ESR y células transducidas con AdCAT (catalasa), AdSOD1(superóxido dismutasa citosólica), AdSOD2 (superóxido dismutasa mitocondrial) y AdGPx (glutatión peroxidasa) se identificó a NADPH oxidasa como principal fuente de las ROS. Por otra parte, su generación también se asoció a una disminución en el nivel total de GSH desde los 60 min post-estímulo, siendo significativo a las 4 h, para 202 mOsm. El estrés hiposmótico disminuyó la viabilidad de los cardiomiocitos, determinada por azul de tripán, a las 6 h en un 45 y 40% según el nivel de hiposmolaridad, A diferencia del estrés hiperosmótico no se detectó activación de las caspasas 9 y 3, sugiriendo la existencia de una muerte independiente de caspasas. Dado que no se evaluaron otros parámetros de muerte, aún se desconoce la participación de necrosis o autofagia en la muerte de los cardiomiocitos activada por estrés hiposmótico. La viabilidad celular se recuperó en células transducidas con AdCAT y expuestas a estrés hiposmótico. Además en estas células hubo un RVD parcial. En conclusión, los resultados indican que el estrés hiposmótico aumenta el volumen del cardiomiocito, siendo NADPH oxidasa una de las principales fuentes en la generación de ROS. Estos últimos inhiben el mecanismo de RVD y median la muerte celular estimulada por el estrés hiposmótico.

Memoria para optar al título de Químico Farmacéutico / El metabolismo proteico es altamente regulado. Los eucariontes poseen diferentes sistemas degradativos como lisosomas y el sistema ubiquitina/proteosoma. Este último, responsable de la degradación de más del 80% de las proteínas intracelulares, regula una amplia gama de procesos intracelulares. Alteraciones en este sistema han sido observadas en enfermedades neurodegenerativas, detectándose acumulación de agregados de proteínas poliubiquitinadas. Las células evitan la acumulación de estos agregados mediante su degradación por el proteosoma y autofagia. Sin embargo, una vez formados, estos cuerpos son refractarios a la proteólisis y se acumulan en agresomas (cuerpos de inclusión asociados a microtúbulos). Recientemente, amplios depósitos proteicos se han detectado en enfermedades cardiacas, aún cuando el papel del sistema ubiquitina/proteosoma no ha sido dilucidado. El objetivo de esta memoria fue investigar qué efecto producen diferentes condiciones de estrés celular, asociados a procesos de isquemia cardiaca como privación de glucosa, estrés hiperosmótico mediado por sorbitol, privación de aminoácidos y suero, sobre el sistema ubiquitina/proteosoma en cardiomiocitos. Estudios de inmunofluorescencia mostraron la formación de agregados proteicos poliubiquitinados, distribuidos ampliamente en el citoplasma, y después de 18 h post tratamiento se observaron grandes agregados proteicos, concentrados en estructuras tipo agresomas, orientados a un lado de la zona perinuclear. La aparición de estas estructuras no se debió a un incremento en el nivel de las proteínas poliubiquitinadas (excepto en células privadas de glucosa) o a una alteración del sistema enzimático de conjugación de ubiquitina o inhibición del proteosoma. La desorganización de los microtúbulos con Vinblastina y colocalización con Hsp70 confirmó que estas estructuras correspondían a agresomas. Además, los agresomas colocalizaron con Rab24, una GTPasa pequeña implicada en autofagia, y con la proteína LC3-GFP, confirmando una estrecha relación entre agresomas y la autofagia. Resultados similares se encontraron al utilizar inhibidores del proteosoma. Finalmente, la inducción de la autofagia con rapamicina facilitó la remoción de los agresomas. En conclusión, condiciones de estrés celular inducen la formación de agresomas en cardiomiocitos. La formación de agresomas no es dependiente de la inhibición del proteosoma o a una alteración en el sistema enzimático de conjugación de la ubiquitina y la inducción de la autofagia facilitó su remoción / Protein metabolism is highly regulated. Eukaryotic cells have two main degradative systems: lysosomes and ubiquitin-proteasome system (UPS). UPS is responsible over 80% intracellular protein degradation and regulates many cellular processes. Alterations in this system has been reported in neurodegeneratives disorders in which polyubiquitin protein aggregates were detected. Cells can avoid protein aggregate accumulation by degradation through UPS or autophagy. Nevertheless, once aggregate accumulates, they are refractory to proteolytic degradation and then tend to accumulate in aggresomes (microtubules-associated inclusion bodies). These protein deposits have been recently detected in cardiovascular diseases, although the precisely role of UPS remains unclear. The aim of this work was to determine the effects of several cardiac ischemiarelated stress conditions such us glucose deprivation, hyperosmotic stress mediated by sorbitol, starvation and serum deprivation on the UPS in cultured neonatal rat cardiomyocytes. Poly-ubiquitin protein immunofluorescence detection showed that the four treatments induced the deposit of polyubiquitin-protein aggregates widely distributed in the cytoplasm. After 18 h post treatment, highly concentrated polyubiquitin-protein deposits in aggresome-like structures in the perinuclear zone were detected. The formation of these structures was independent to the level of polyubiquitin-protein increase (except in glucose deprivated cells) or changes in enzymatic ubiquitinconjugating system or proteasome activity inhibition. Vinblastine-dependent microtubules disruption and colocalization with Hsp70 confirmed that these structures were aggresomes. Moreover, we observed aggresome colocalization with Rab24, a small GTPase implicated in autophagy and GFP-LC3. This last result suggest a link between aggresomes and autophagy. Similar results were observed in proteasome inhibited cells. Autophagy induction with rapamycin facilitated aggresome remotion. In summary, stress conditions induce aggresome formation in primary cultures of cardiac myocytes, being this process independent of proteasome inhibition or alteration in ubiquitin-conjugating system. Autophagy induction facilitated aggresome remotion in these cells

Memoria para optar al título de Bioquímico / El correcto funcionamiento celular requiere condiciones físicas específicas, como pH, temperatura y fuerza iónica. Cualquier alteración de estos parámetros puede producir consecuencias graves para las células. La mantención del volumen celular es otro de los parámetros importantes para la célula ya que regula la fuerza iónica y las concentraciones de osmolitos y segundos mensajeros intracelulares. En patologías como la diabetes o isquémicas como el infarto agudo al miocardio, ocurren alteraciones del volumen celular. Durante la isquemia disminuye el aporte de nutrientes y oxígeno a las células por lo que aumenta el catabolismo de nutrientes para obtener energía. Como consecuencia, aumenta la osmolaridad intracelular y con ello, la entrada de agua a la célula produciéndose un aumento de su volumen. Pero las células han desarrollado mecanismos para regular su volumen y volver a la normalidad frente a cambios en la osmolaridad del medio. En el caso del estrés hiposmótico, la estrategia consiste en sacar iones de la célula, lo que disminuye su contenido de agua. Se ha descrito que los cardiomiocitos no regulan espontáneamente su volumen en condiciones de estrés hiposmótico, lo que se ha asociado a muerte. Este hecho es importante si consideramos que el corazón es uno de los órganos más afectados por enfermedades que incluyen episodios isquémicos. Las conexinas son proteínas de transmembrana que forman hexámeros (hemicanal) y se insertan en la membrana plasmática de las células. Si dos hemicanales de células adyacentes se unen forman un canal de una unión en hendidura, y permiten la comunicación de los citoplasmas de las células vecinas. Se ha propuesto que los hemicanales formados por la conexina 43 (Hcs-Cx43) podrían participar en la regulación de volumen de las células, ya que forman verdaderos poros en la superficie celular que permite el paso de agua e iones por difusión simple. El objetivo de esta tesis consistió en determinar si los hemicanales formados por conexinas participan en la regulación de volumen del cardiomiocito expuesto a estrés hiposmótico. Para este fin cultivos primarios de cardiomiocitos de ratas neonatas se expusieron a estrés hiposmótico y se estudió: • Si el estrés hiposmótico modifica el estado funcional de los Hcs-Cx43 a través de la técnica de captación de etidio • Si los cambios en el estado funcional de los Hcs-Cx obedecen a modificaciones en la cantidad de los Hcs-Cx43 expuestos en la membrana o cambios en su estado de fosforilación, mediante la técnica de biotinilación de proteínas de superficie • Si los Hcs-Cx43 participan en la regulación de volumen del cardiomiocito expuesto a estrés hiposmótico, mediante el uso de calceina-AM y microscopía confocal como indicador de los cambios de volumen de la célula e interviniendo el sistema con el inhibidor específico de Hcs-Cx43, Gap26. Los resultados muestran que los Hcs-Cx aumentan su estado funcional al exponer las células a estrés hiposmótico, lo que impide la regulación de volumen del cardiomiocito, ya que al inhibirlos con Gap26 recuperan su volumen. Además se sugiere que el aumento funcional de los Hcs-Cx no se podría explicar por cambios en el estado de fosforilación o alteraciones de la cantidad de Hcs-Cx expuestos en la membrana celular. De estos resultados se concluye que los hemicanales formados por conexinas participan en el control del volumen del cardiomiocito / The cell homeostasis requires specific physical conditions such as pH, temperature and ionic strength. Any alteration in these parameters may produce serious consequences to the cell. The maintenance of cell volume is key parameter because is involved in the regulation of ionic strength, and concentration of osmolyte and intracellular second messengers. Alterations in cell volume have been described in pathologies such as diabetes, stroke and acute myocardial infarction. During ischemia the nutrients and oxygen availability to the cells diminishes, resulting in an increased catabolism in order to obtain energy. As a consequence, intracellular osmolarity increases leading to water influx into the cell and an increase in cell volume. Cells have developed different compensatory mechanisms to restore their volume when they are exposed to changes in external osmolarity. In the case of hyposmotic stress, ions are pumped out the cell to diminish water content. It has been shown that cardiac myocytes are unable to spontaneously regulate their volume when exposed to osmotic stress, and this event has been associated with increased cell death susceptibility. This is important if we consider that cardiac tissue is one of the most affected organs by ischemic diseases. Connexins are transmembrane proteins forming hexamers (hemichannels) at the cell membrane. When two hemichannels from adjacent cells reach each other, they form a gap junction channel, which allow communication of both cytoplasms. It has been proposed that hemichannels formed by connexin 43 (Hcs-Cx43) may participate in cell volume regulation because they form pores in the cell surface allowing the passage of water and ions by simple diffusion. The aim of this work was to evaluate whether Hcs-Cx43 participates in the volume regulation of cardiac myocytes exposed to hyposmotic stress. To this end, cultured neonatal rat cardiac myocytes were exposed to hyposmotic stress and we study whether: • Hyposmotic stress modifies the functional state of Hcs-Cx43 assessing the ethidium uptake by the cells • Changes in Hcs-Cx functional state are explained by the number of Hcs-Cx43 present in the cell membrane or by changes in their phosphorylation status. • Hcs-Cx43 participates in the volume regulation of cardiac myocyte exposed to hyposmotic stress. This was evaluated using calcein-AM and confocal microscopy to measure changes in cell volume and Gap26 to inhibit Hcs-Cx43. The results showed that the functional state of Hcs-Cx is enhanced in cells exposed to hyposmotic stress. Such increase in the functional state of Hcs-Cx could not be explained by changes in the phosphorylation state or alterations in the amount of Hcs- Cx exposed in the cell surface. The increase in cardiac myocyte volume induced by hyposmostic stress was inhibited by Gap26. These results collectively show that connexin hemichannels participates in the regulation of cardiac myocyte volume

Memoria para optar al título de Químico Farmacéutico / El sistema renina-angiotensina (RAS) forma parte de un eje de control homeostático de procesos tan importantes como el mantenimiento del tono vascular, el balance hidroeléctrico y la contractilidad cardíaca. Su sobre-activación se relaciona con el desarrollo de hipertensión arterial, la que con el paso del tiempo desencadena una serie de procesos deletéreos de remodelado que cursan con hipertrofia del cardiomiocito, lo que puede llevar finalmente a la insuficiencia cardíaca. Adicionalmente, se ha mostrado que la sola desregulación de este sistema puede desencadenar hipertrofia y remodelado cardíaco. Para la compleja regulación del RAS, el organismo hace uso de distintos efectores o agonistas dentro de los que para nuestra investigación, destacamos al péptido angiotensina 1-9 que cada vez toma más importancia por su efecto fisiológico, descrito y corroborado por distintos investigadores, de contrarrestar y prevenir la señalización hipertrófica en cardiomiocitos originada por distintos estímulos, tanto in vitro como in vivo. En el presente trabajo se investigó el mecanismo anti-hipertrófico de Angiotensina 1-9, para lo que valiéndonos de previas investigaciones de nuestro laboratorio y de otros grupos de investigación, nos centramos en la señalización mediada por calcio que tiene un papel principal en la contracción, control del metabolismo energético celular y expresión génica en el corazón, siendo además uno de los principales actores en la hipertrofia cardiaca. Los resultados mostraron que la preincubación de angiotensina 1-9 no tuvo efectos directo sobre los movimientos de calcio; ya sea citoplasmático o mitocondriales, pero sí disminuyó la respuesta de calcio citoplasmático frente a un estímulo pro-hipertrófico, como la Norepinefrina e incrementó los transitorios mitocondriales de calcio evocados tanto por norepinefrina como histamina (esta última se ha descrito como gatillante de la salida de calcio desde el retículo endoplásmico hacia la mitocondria a través de los canales sensibles a IP3. Finalmente al investigar mediante inmunohistoquímica si los aumentos de calcio en la mitocondria se debían a un acercamiento entre el retículo y la mitocondria producido por la preincubación de Ang 1-9, evidenciamos que no se produce un acercamiento entre estos organelos, pero interesantemente si se evita el alejamiento de estos inducidos por estímulos prohipertróficos. Como conclusión de nuestro estudio Ang 1-9 corrige los niveles de Ca2+ citoplasmático inducidos por estímulos prohipertróficos, posiblemente por una mejora en la eficiencia en la entrada de Ca2+ a la mitocondria, lo que no se debe a una modulación de cercanía entre el retículo y la mitocondria / The renin-angiotensin system (RAS) is part of a homeostatic control shaft of important processes such as the maintenance of vascular tone, the electrolyte balance and cardiac contractility. The over-activation of this system has been associated with the development of high blood pressure, which over time triggers a series of deleterious remodeling processes that occur through cardiomyocyte hypertrophy and that can possible end in heart failure. Additionally it has been demonstrated that dysregulation of this system, by itself, can trigger cardiac hypertrophy and remodeling. To achieve the regulation of RAS, the organism uses different effectors or agonists, among them the peptide Angiotensin 1-9 that we highlight to our investigation, who has becoming increasingly more important for its physiological effect described and corroborated by other investigators to counteract and prevent hypertrophic signaling in cardiomyocytes caused by various stimuli in vitro and in vivo. In the present work we wanted to delve into the hypertrophic mechanism of Angiotensin 1-9, and availing ourselves of previous research in our and other laboratories, we focus on calcium signaling, in order to get to understand a little more of this process, coupling to the fact that this plays a major role in contraction, control of cellular energy metabolism and gene expression in the heart. In our results we first found that the pre-incubation of Angiotensin 1-9 itself had no direct effect on cytoplasmic or mitochondrial calcium movements, but decreased the cytoplasmic calcium response of the pro-hypertrophic agent Norepinephrine, and increased the mitochondrial calcium transients evoked by both, norepinephrine and histamine (which has been described that triggers output of calcium from the endoplasmic reticulum into mitochondria trough the IP3 calcium channels). Finally, using immunohistochemistry to investigate whether increases in calcium in mitochondria were due to a closer approach between the reticulum and the mitochondria induced by the Angiotensin 1-9 pre-incubation, we saw no differences in the proximity between these organelles, but interestingly the pre-incubation avoid the estrangement induced by the Norepinephrine pro-hypertrophic stimuli. As conclusion to our study we found that Angiotensin 1-9 is able to correct the cytoplasmic Ca2+ levels induced by a pro-hypertrophic stimuli, possibly by an improvement in the efficiency of Ca2+ entry into the mitochondria, which is not due to a modulation of the closeness between reticulum and mitochondria / Fondecyt, Fondef, Mecesup

Memoria para optar al título de Químico Farmacéutico / A pesar de que el Ca+2 posee un papel fundamental en regular la función contráctil del cardiomiocito adulto, se desconoce si este ión media las acciones metabólicas de insulina, especialmente aquellas relacionadas con el ingreso de la glucosa a la célula. En esta tesis se investigó la participación del Ca+2 en la activación de AKT y en la captación de glucosa inducida por insulina en cultivos de cardiomiocitos aislados de rata adulta. La quelación del Ca+2 extracelular utilizando EGTA, no inhibió la fosforilación de AKT ni el transporte de glucosa estimulado por insulina, demostrando que el efecto de insulina es independiente de un influjo de Ca+2 desde el medio extracelular. Por el contrario la depleción del Ca+2 del medio intracelular utilizando BAPTA-AM, disminuyó drásticamente la fosforilación de AKT y el transporte de glucosa inducido por insulina, demostrando que ambas etapas de la señalización de insulina dependen de la presencia de Ca+2 intracelular. En la evaluación del componente de Ca+2 intracelular involucrado en la fosforilación de AKT, tanto el bloqueador del canal/receptor intracelular Ryanodina y el inhibidor de los procesos dependientes de IP3 2-APB tendieron a disminuir la fosforilación de AKT dependiente de insulina en el cardiomiocito adulto. En contraste, 2-APB pero no ryanodina afectó la captación de glucosa inducida por insulina en cardiomiocitos de rata adulta, lo que sugiere una interrelación entre la liberación de Ca+2 dependiente de IP3 y el transporte de glucosa inducido por insulina en el cardiomiocito adulto. Otros aspectos observados en la regulación por Ca+2 del transporte de glucosa indican que la captación de glucosa basal y dependiente de insulina es mayor en ausencia de Ca+2 en el medio extracelular, sugiriendo que el Ca+2 extracelular podría participar en los procesos de endocitosis de GLUT4. Además, se observó que el tratamiento de las células con el ionóforo divalente de Ca+2 Ionomicina, no afectó la captación basal de glucosa pero disminuyó la inducida por insulina, indicando que el Ca+2 necesario para la regulación del transporte de glucosa debe permanecer dentro de un rango de concentración. En conclusión, el Ca+2 intracelular es un importante mediador fisiológico de la fosforilación de AKT y del transporte de glucosa estimulado por insulina y, que este último proceso es fuertemente modulado por la liberación de Ca+2 desde los reservorios intracelulares dependientes de IP3R / Although Ca+2 has a key role in regulating the contractile function of adult cardiomyocytes, it still unknown if this ion mediates the metabolic actions of insulin, especially those related to glucose uptake. Chelation of extracellular Ca+2, using EGTA, did not inhibit insulin-dependent AKT activation and glucose uptake, demonstrating that the effect of insulin is independent of a Ca+2 influx from the extracellular environment. On the contrary, depletion of intracellular Ca+2, using BAPTA-AM, drastically reduced insulin-dependent AKT activation and glucose uptake, showing that both steps of insulin signaling depend on intracellular calcium. To investigate the intracellular Ca+2 component involved in AKT phosphorylation, ryanodine (RyR channel Ca2+ blocker) and 2-APB (IP3R inhibitor) were used. Both drugs trend to decrease the insulin-dependent AKT activation in adult cardiomyocytes. In contrast, 2-APB but not Ryanodine affects insulin induced glucose uptake in adult rat cardiomyocytes, suggesting an interrelationship between the IP3 dependent Ca+2 release and insulin induced glucose uptake in adult cardiomyocytes. Other aspects observed in Ca+2 regulation of glucose uptake show that basal and insulin stimulated glucose uptakes were greater in the absence of extracellular Ca+2, suggesting this Ca+2 might participate in GLUT4 endocytosis. In addition, treatment of cells with divalent calcium ionophore, Ionomycin, did not affect basal glucose uptake but decreased insulin-stimulated glucose uptake. These findings suggest that Ca+2 involved in the regulation of glucose transport must remain within a range of concentration. In conclusion, intracellular Ca+2 is an important physiological mediator of AKT phosphorylation and glucose transport stimulated by insulin, and that the latter process is strongly modulated by the release of Ca+2 from intracellular reservoirs IP3R-dependent