Els teixits d'inervació tenen una funció esencial a la regulació de les poblacions neuronals definitives mitjançant el control del fenòmen de la mort neuronal fisiològica, basat en el subministrament limitat de neurotrofines (NT's) a les neurones embrionàries. Al cas de les motoneurones (MTN's) de la medul.la espinal, encara no s'ha establert amb precissió la identitat de les molècules neurotròfiques derivades del múscul que governen aquest procès. La primera part d'aquest estudi parteix del desenvolupament d'un model de cultiu de MTN's espinals d'embrió de pollastre. La tècnica utilitzada -de sedimentació sobre un gradient de densitat- permet obtenir una població pura de MTN's embrionàries d'acord amb criteris morfològics, bioquímics i immunocitoquímics. S'ha usat aquest sistema in vitro per la caracterització del procès de mort fisiològica de les MTN's com apoptòtic, i l'estudi de la dependència de les MTN's per a la seva supervivència de les activitats tròfiques presents al teixit muscular esquelètic. Així mateix, s'han analitzat alguns dels mecanismes implicats a la mort de les MTN's per deprivació neurotròfica, rebent especial atenció la participació del metabolisme de les pirimidines al control de la supervivència de les MTN's embrionàries. Durant el desenvolupament embriològic, les MTN's espinals modifiquen els seus requeriments tròfics. A les etapes tardanes del periode de mort fisiològica, aquestes neurones adquireixen la capacitat de respondre a les NT's BDNF, NT-3 i NT-4/5. En aquest estudi, s'ha correlacionat aquesta resposta amb el patró d'expressió dels receptors TrkB i TrkC a la superfície de les MTN's espinals. La seva activació pels factors corresponents comporta la fosforilació i, presumiblement, l'activació de les kinases citosòliques MAPK's. D'altra banda, emprant com a model el receptor TrkA present a la superfície de les neurones simpàtiques del gangli cervical superior de l'embrió de rata i de les cèl.lules PC12, s'ha comprovat com l'autofosforilació dels receptores Trk és necessària per les respostes de supervivència i diferenciació neuronal induïdes per les NT's, encara que d'una manera diferent. L'activitat bioelèctrica també sembla participar a la regulació de la supervivència neuronal embrionària. La despolarització crònica de la membrana cel.lular amb concentracions elevades de K + estimula la supervivència de les MTN's espinals embrionàries mitjançant l'increment de la [Ca 2+ ]i en relació amb l'activació de canals de Ca 2+ dependents de voltatge de tipus L. Així mateix, comporta l'activació de la via de transducció p21ras-MAPK, independentment de l'estimulació dels receptors Trk presents a la superfície de les MTN's. / Los tejidos de inervación tienen una función esencial en la regulación de las poblaciones neuronales definitivas a través del control del fenómeno de la muerte neuronal fisiológica, basado en un suministro limitado de neurotrofinas (NT's) a las neuronas embrionarias. En el caso de las motoneuronas (MTN's) de la médula espinal, aún no se ha establecido con precisión la identidad de las moléculas neurotróficas derivadas del músculo que gobiernan dicho proceso. La primera fase de este estudio parte del desarrollo de un modelo de cultivo de MTN's espinales de embrión de pollo. La técnica usada -de sedimentación sobre un gradiente de densidad- permite obtener una población pura de MTN's embrionarias según criterios morfológicos, bioquímicos e inmunocitoquímicos. Este sistema in vitro ha sido utilizado para caracterizar el proceso de muerte fisiológica de las MTN's como apoptótico, y estudiar la dependencia de las MTN's para su supervivencia de las actividades tróficas presentes en el tejido muscular esquelético. Asimismo, se han analizado algunos mecanismos implicados en la muerte de las MTN's por deprivación neurotrófica, mereciendo especial atención la participación del metabolismo de las pirimidinas en el control de la supervivencia de las MTN's embrionarias. Durante el desarrollo embrionario, las MTN's espinales modifican sus requerimientos tróficos. En las etapas tardías del período de muerte fisiológica, estas neuronas adquieren la capacidad de responder a las NT's BDNF, NT-3 y NT-4/5. En este estudio, se ha correlacionado dicha respuesta con el patrón de expresión de los receptores TrkB y TrkC en la superficie de las MTN's espinales. Su activación por los correspondientes ligandos comporta la fosforilación y, presumiblemente, activación de las kinasas citosólicas MAPK's. Por otra parte, tomando como modelo el receptor TrkA presente en la superficie de las neuronas simpáticas del ganglio cervical superior del embrión de rata y de las células PC12, se ha comprobado cómo la autofosforilación de los receptores Trk es necesaria para las respuestas de supervivencia y diferenciación neuronal inducidas por las NT's, aunque de forma diferente. La actividad bioeléctrica también parece participar en la regulación de la supervivencia neuronal embrionaria. La despolarización crónica de la membrana celular con elevadas concentraciones de K + estimula la supervivencia de las MTN's espinales embrionarias a través del incremento de la [Ca 2+ ]i en relación con la activación de canales de Ca 2+ dependientes de voltaje tipo L. Asimismo, comporta la activación de la vía de transducción p21ras-MAPK, independientemente de la estimulación de los receptores Trk presentes en la superficie de las MTN's. / Neuronal targets of innervation are major determinants in the regulation of the final neuronal populations by controlling naturally-occurring cell death. Such phenomenon is based upon the limited supply of neurotrophins (NT's) to embryonic neurons. The identity of muscle-derived neurotrophic molecules involved in the control of naturally-occurring cell death of motoneurons (MTN's), has not yet been established. First, a culture system for chick embryo spinal MTN's was developed. The methodology employed -a density-gradient sedimentation technique- yields a pure population of embryonic MTN's according to morphological, biochemical, and immunocytochemical criteria. This in vitro system was then used to characterize naturally-occurring death of MTN's as apoptotic, and to study the dependence of MTN's for survival on the trophic activities derived from skeletal muscle tissue. Moreover, some of the mechanisms mediating MTN death upon trophic deprivation were analyzed. The relevance of pyrimidine metabolism to this type of neuronal death merited special attention. Spinal MTN's switch their trophic requirements throughout embryonic development. Late during naturally-occurring death, these neurons become responsive to the NT's BDNF, NT-3, and NT-4/5. In this study, this property was correlated with the presence on the surface of spinal MTN's of receptors TrkB and TrkC. Their activation by the corresponding neurotrophic factors was shown to cause the phosphorylation and, presumably, activation of cytosolic MAPK's in cultured spinal MTN's. Furthermore, by using TrkA receptors present on the membrane surface of sympathetic superior cervical ganglion neurons and PC12 cells as an experimental model, autophosphorylation of Trk receptors was demonstrated to be necessary for both survival and differentiation induced by NT's, although in not in the same manner. Bioelectric activity also seems to participate in the regulation of neuronal survival during embryonic development. Chronic cell membrane depolarization with high concentrations of K + was found to stimulate survival of embryonic spinal MTN's. This effect was mediated by a rise in [Ca 2+ ]i related to the activation of type-L voltage-gated Ca 2+ channels. Moreover, membrane depolarization caused the activation of the p21ras-MAPK signal transduction pathway, which occurred independently of the stimulation of Trk receptors present on the surface of cultured MTN's.

Aquesta tesi doctoral s'engloba dins d'un projecte general d'estudi de gens implicats en l'embriogènesi del blat de moro. L'embriogènesi del blat de moro, i en general la de totes les plantes superiors, es dóna en tres etapes: una primera etapa on es diferencien tots els diversos teixits que formaran l'embrió, una segona etapa on l'embrió acumula productes de reserva i un tercer període, la dormància, que finalitza quan les condicions ambientals són les idònies per a la germinació. En el laboratori estàvem interessats, concretament, en l'estudi de gens implicats en la primera etapa morfogenètica, on els diferents teixits i estructures embrionàries queden definides. Per tal d'estudiar gens que s'expressaven en aquest període, una de les estratègies que es va realitzar fou un crivellat diferencial entre teixit embrionari i teixit de planta adulta. D'entre els diferents clons obtinguts, un corresponia a un clon parcial que presentava similitud amb receptors quinasa i que fou objecte d'estudi. A partir d'aquest clon es va obtenir el clon complet i es va anomenar MARK (per Maize Atypical Receptor Kinase). MARK presenta una estructura típica d'un receptor quinasa amb un domini extracel.lular, que conté 6 còpies imperfectes de LRR (Leucine- Rich Repeats), un únic domini transmembrana i un domini quinasa intracel.lular. El domini quinasa de MARK presenta, però, algunes variacions en els residus aminoacídics que es consideren claus per a la funció catalítica dels dominis quinasa. En concret cinc dels aminoàcids considerats essencials per a la fosforilació es troben substituits en el domini quinasa de MARK (DK-MARK). Els experiments de fosforilació in vitro que es van realitzar al laboratori, van mostrar com MARK era incapaç de fosforilar in vitro. Aquesta característica no és, però, exclusiva de MARK. Una búsqueda en les bases de dades ens van permetre identificar altres seqüències que també presentaven els mateixos o altres canvis en aquestes posicions aminoacídiques. En les bases de dades de plantes es van identificar un conjunt de seqüències genòmiques o ESTs amb aquestes característiques i només una d'elles, la proteïna TMKL1 d'Arabidopsis, ha sigut descrita com un receptor quinasa incapaç de fosforilar in vitro. Respecte a la búsqueda de receptors similars a MARK en les bases de dades d'animals, es van identificar també un conjunt de proteïnes que, en alguns casos, s'ha descrit que no tenen activitat quinasa in vivo. Per exemple, un dels casos més ben estudiats és el del receptor erbB3 que forma part de la família de receptors del EGF (Epidermal Growth Factor). Aquesta família de receptors està formada per 4 receptors: erbB1, erbB2, erbB3 i erbB4, dels quals només l'erbB3 no presenta activitat catalítica. S'ha descrit que erbB3 és capaç, tot i no fosforilar in vivo, de participar activament en la transducció del senyal formant heterodímers amb els altres membres de la família. Així, erbB3 és fosforilat pel seu partner i pot iniciar la cascada de transducció del senyal. La participació d'erbB3 en la transducció del senyal és essencial ja que embrions de ratolí knock-out pel gen erbB3 són inviables. Així doncs, el fet que receptors quinasa catalíticament inactius participin en les cascades de transducció del senyal, suggereix l'existència de nous mecanismes d'acció per a la transducció del senyal. Per tant, l'objectiu d'aquest treball fou l'estudi del mecanisme d'acció de MARK mitjançant la caracterització les proteïnes capaces d'interaccionar amb el seu domini quinasa. Per tal d'assolir aquest objectiu, es va realitzar un crivellat de doble-híbrid amb una llibreria de cDNA d'embrions de blat de moro de 7 DAP. D'aquest crivellat es va obtenir un conjunt de possibles clons positius que foren seqüenciats i entre els quals es van escollir per un estudi més detallat aquells que s'havien obtingut més vegades com a clons independents. Aquests clons codificaven per: una SAMDC (S-Adenosil Descarboxilasa), una eIF5 (Eukaryotic translation initiation), una hypothetical protein, una unknown protein, una gamma-adaptina i una MAP4K. Amb aquests 6 clons es van fer estudis in vitro i in vivo per tal de confirmar al seva interacció amb DK-MARK. Els estudis in vivo es van realitzar amb la soca de llevat AH109, una soca més astringent que la utilitzada en el crivellat, ja que presenta tres gens marcadors: Histidina, Adenina i Lacz. Els resultats obtinguts van mostrar que els clons codificants per SAMDC i eIF5 no van créixer en un medi selectiu per His i Ade i, per tant o es tracta de falsos positius del sistema o la seva interacció amb DK-MARK és dèbil. D'altra banda, la resta dels clons analitzats (proteïna hipotètica, una proteïna de funció desconeguda, la gamma-adaptina i una MAP4K) van créixer en medis en absència de Histidina i Adenina. Els assatjos de b-galactosidasa van ser tots positius a excepció de la proteïna hipotètica suggerint que potser aquesta interacció sigui més feble. D'altra banda també es van realitzar estudis in vitro amb la tècnica del pull-down. Els resultats obtinguts amb aquesta tècnica van recolzar els obtinguts en cèl.lules de llevat, ja que tots els clons analitzats a excepció dels codificants per SAMDC i eIF5 van donar un resultat d'interacció amb KD-MARK in vitro positiu. Davant aquests resultats ens vam centrar en l'estudi de la proteïna similar a MAP4K, doncs algunes proteïnes de la seva família s'han relacionat amb receptors de membrana. Els clons que es va obtenir del crivellat codificaven per una proteïna similar amb el domini C-terminal a les proteïnes BnMAP4Ka1 i a2 de Brassica napus. Aquestes proteïnes presenten una forta similitud de seqüència amb proteïnes de la família GCK/SPS1 que formen part d'un grup particular de MAPK relacionades amb la proteïna Ste20 (sterile 20 protein) de llevat. Ste20p activa la MAP3K de llevat Ste11 directament per fosforilació, transduint d'aquesta manera el senyal del receptor de feromones de creuament de les cèl.lules de llevat i es pot, doncs, considerar com una proteïna del tipus MAP4K (mitogen-activated protein kinase kinase kinase kinase). En els darrers anys, s'han identificat un gran nombre de proteïnes similars a Ste20: fins a una trentena en mamífers, en Drosophila, en Caenorhabditis elegans i en altres organismes. Segons la seva estructura aminoacídica, la família Ste20 s'ha classificat en dues subfamílies: les proteïnes STE20/PAK (p21-activated kinases) i la subfamília GCK/SPS1 (germinal center kinases). Les dues subfamílies estan formades per proteïnes que contenen un domini quinasa i un domini regulador, però, mentre que les proteïnes PAK presenten el domini quinasa en la part C-terminal, les GCKs el presenten en la regió N terminal. Les proteïnes GCK presenten una elevada diversitat estructural en el domini regulador permetent la seva classificació en 6 subfamílies. Mitjançant la tècnica del RACE es va obtenir el clon de cDNA complet que es va anomenar MIK (MARK Interacting Kinase). Amb la tècnica del Southern blot es va poder determinar que el gen MIK és un gen de còpia única en el genoma de blat de moro. Per tal d'analitzar la possible interacció entre DK-MARK i MIK, es va estudiar tant el patró d'expressió d'ambdós gens com el seu patró d'acumulació d'ambdues proteïnes durant l'embriogènesi del blat de moro. El patró d'expressió, analitzat per Northen blot va mostrar uns patrons coincidents al llarg de l'embriogènesi des del seu inici fins als 20 DAP amb una acumulació màxima de mRNA en embrions de 15 DAP. D'altra banda per tal d'estudiar el patró d'acumulació de la proteïna MIK així com per comparar-lo amb el de MARK, es van realitzar estudis de Westerns blot. Els resultats també van mostrar una coincidència en el temps de l'acumulació de les proteïnes MARK i MIK durant l'embriogènesi de blat de moro amb una major acumulació en embrions de 15 i 20 DAP. Es van dur a terme també estudis d'immunolocalitzacions sobre embrions de blat de moro de 15 DAP per tal d'estudiar en quins teixits s'acumulaven ambdues proteïnes. Les immunolocalitzacions van mostrar una major acumulació tant de MARK com de MIK en les zones meristemàtiques i en el teixit vascular sobretot del coleòptil on s'aprecia una forta co-localització de MARK i MIK. Totes aquestes dades són compatibles, doncs, amb una possible interacció de les proteïnes MARK i MIK, tot i que no la demostren. Per tal de demostrar la interacció es van realitzar experiments d'immunoprecipitació in vivo a partir d'extractes d'embrions. Malauradament, els resultats no són clars i en aquests moments en el laboratori s'estan posant a punt aquests experiments. També es van realitzar estudis comparatius de seqüència amb diferents proteïnes de la família GCK, mostrant una major similitud amb les proteïnes de la subfamília GCK-III. La subfamília GCK-III ha estat molt poc estudiada i en formen part un conjunt de proteïnes amb funcions molt diverses des de l'apoptosi, la citoquinesi o l'anòxia cel.lular. Per tant, la similitud de seqüència possiblement fa referència a una conservació en el mecanisme d'acció més que no pas a una conservació funcional. La possible interacció de MARK amb el domini C-terminal de MIK (el domini regulador) podria activar aquesta última iniciant una cascada de transducció del senyal en un model en el que una proteïna del tipus GCK-III faria de lligam directa entre un receptor de membrana i una cascada de senyalització intracel.lular. Aquest tipus de lligam entre un recepctor de membrana i mòduls intracel.lulars de senyalització s'ha descrit per a altres proteïnes GCK, si bé no directament sinó a través de proteïnes adaptadores. D'altra banda, la interacció directa de MARK, un receptor quinasa atípic que no té activitat catalítica, amb MIK suggereix un mecanisme on receptors atípics podrien interaccionar en la transducció del senyal activant la via de les MAPK.

[ES] El calcio (Ca2+) es un catión esencial que juega un papel fundamental en todos los organismos vivos. Desde el punto de vista funcional, el Ca2+ actúa como un segundo mensajero que regula distintos procesos celulares. Trabajos anteriores indican que la señalización mediante Ca2+ podría estar implicada en las primeras etapas de la inducción de la embriogénesis in vitro de las plantas, pero el verdadero papel del Ca2+ en este proceso es aún desconocido. Por eso, el principal objetivo de la presente Tesis es el estudio del papel del Ca2+ en la embriogénesis in vitro mediante dos sistemas in vitro: la embriogénesis somática y la embriogénesis de microsporas. Para determinar la importancia de la homeostasis del Ca2+ en la inducción de la embriogénesis y las dinámicas de los niveles de Ca2+ durante la inducción y el establecimiento de embriones somáticos y derivados de microsporas, se utilizaron tratamientos químicos y se detectaron los niveles de Ca2+ mediante sondas fluorescentes y sensores cameleon codificados genéticamente, visualizados con microscopía fluorescente y confocal. Observamos que el aumento de Ca2+ es un marcador temprano en la inducción de la embriogénesis in vitro y que los niveles de Ca2+ durante la embriogénesis in vitro son dinámicos en todos los sistemas estudiados. Además, las oscilaciones en los niveles de Ca2+ podrían estar relacionadas con los procesos de diferenciación que ocurren en las células inducidas una vez une el Ca2+ a la calmodulina. Mostramos que un aumento de Ca2+ dentro de un rango definido de concentración tiene un efecto positivo, dependiendo del sistema, en la producción de embriones, siendo más sensibles aquellos sistemas basados en suspensiones de células aisladas que aquellos que usan tejidos como explantes. Finalmente, estudiamos el papel de la calosa durante la embriogénesis somática, observando que la inhibición de la deposición de calosa impide el desarrollo embrionario, lo que sugiere una relación entre la formación de una barrera de calosa y el establecimiento de la identidad embrionaria en las células somáticas. / [CAT] El calci (Ca2+) és un catió essencial que juga un paper fonamental en tots els organismes vius. Des del punt de vista funcional, el Ca2+ actua com a un segon missatger que regula diferents processos cel·lulars. Treballs anteriors indiquen que la senyalització mitjançant el Ca2+ podria estar implicada en les primeres etapes de la inducció de l'embriogènesi in vitro de les plantes, però el paper real del Ca2+ en aquest procés encara és desconegut. Per això, el principal objectiu de la present Tesi és l'estudi del paper del Ca2+ en l'embriogènesi in vitro mitjançant dos sistemes in vitro: l'embriogènesi somàtica i l'embriogènesi de micròspores. Per tal de determinar la importància de l'homeòstasi del Ca2+ en la inducció de l'embriogènesi i les dinàmiques dels nivells de Ca2+ durant la inducció i l'establiment d'embrions somàtics i derivats de micròspores, es van utilitzar tractaments químics i es van detectar els nivells de Ca2+ mitjançant sondes fluorescents i sensors de cameleon codificats genèticament, visualitzats amb microscòpia fluorescent i confocal. Vam observar que l'augment de Ca2+ és un marcador primerenc en la inducció de l'embriogènesi in vitro i que els nivells de Ca2+ durant l'embriogènesi in vitro són dinàmics en tots els sistemes estudiats. A més, les oscil·lacions en els nivells de Ca2+ podrien estar relacionades amb els processos de diferenciació que tenen lloc en les cèl·lules induïdes una vegada uneix el Ca2+ a la calmodulina. Vam mostrar que un augment de Ca2+ dins d'un rang definit de concentració té un efecte positiu, depenent del sistema, en la producció d'embrions, essent més sensibles aquells sistemes basats en suspensions de cèl·lules aïllades que aquells que usen teixits com a explants. Finalment, vam estudiar el paper de la cal·losa durant l'embriogènesi somàtica, i vam observar que la inhibició de la deposició de cal·losa impedeix el desenvolupament embrionari, la qual cosa suggereix una relació entre la formació d'una barrera de cal·losa i l'establiment de la identitat embrionària en les cèl·lules somàtiques. / [EN] Calcium (Ca2+) is an essential cation that plays fundamental roles in all living organisms. From a functional point of view, Ca2+ acts as a second messenger that regulates different cellular processes. Previous works point to the fact that Ca2+ signaling may be involved in the early stages of induction of in vitro plant embryogenesis, but the actual role of Ca2+ in this process remained unveiled. Thus, the main goal of the present Thesis is to study the role of Ca2+ in in vitro embryogenesis using two in vitro systems: somatic embryogenesis and microspore embryogenesis. Chemical treatments and detection of Ca2+ with fluorescent probes and genetically-encoded cameleon sensors imaged by fluorescence and confocal microscopy were performed to determine the importance of Ca2+ homeostasis for induction of embryogenesis and the dynamics of Ca2+ levels during the induction and establishment of somatic and microspore-derived embryos. We observed that Ca2+ increase is an early marker of induction of in vitro embryogenesis and Ca2+ levels during in vitro embryogenesis are dynamic in all the systems we studied. Moreover, Ca2+ oscillations might be related to the differentiation processes that take place in the induced cells upon binding to calmodulin. We showed that Ca2+ increase within a defined range has system-specific positive effects in embryo yield, being more sensitive those systems using isolated cell suspensions rather than those using tissues as explants. Finally, we studied the role of callose during somatic embryogenesis, and we observed that inhibiting callose deposition prevents embryo development, which suggests a relationship between the formation of a callose barrier and the establishment of embryo identity in somatic cells. / Calabuig Serna, A. (2023). Multidisciplinary study of the role of calcium in plant in vitro embryogenesis [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196022