In order to improve our understanding on LEA proteins and their molecular functions in drought tolerance, the present work analyzes in the first place, the composition of LEA subproteomes from Arabidopsis seeds and maize embryos; second, three maize embryo LEA proteins from groups 1, 2, and 3 are analyzed in order to detect functional differences among them and finally, transgenic maize plants over-expressing group 5 “rab28” lea gene are characterized. The following results are presented: - Chapter 1. Proteomic approach to analyze the composition of LEA subproteomes from Arabidopsis seeds by mass spectrometry. The main objective was the development and isolation method to obtain enriched LEA populations from Arabidopsis seeds. LEA subproteomes were obtained using an extraction procedure that combines heat stability and acid solubility of LEA proteins. To identify the protein content, we followed two approaches: first, a classical 1D (SDSPAGE) gel-based procedure associated with MS analysis using an electrospray ionization source coupled on-line to liquid chromatography (LC-ESI-MSMS) and second, a gel-free protocol associated with an off-line HPLC and analysis via matrix assisted laser desorption/ionization (LC-MALDI-MSMS). - Chapter 2. Proteomic analysis of LEA proteins accumulated in maize mature seeds. Identification of LEA protein content by mass spectrometry and selection of three LEA proteins, Emb564, Rab17 and Mlg3, as representatives of groups 1, 2 and 3 for further study. Comparative functional analysis covering different aspects of maize Emb564, Rab17 and Mlg3 proteins, posttranslational modifications, subcellular localization and their properties in in-vitro and in- vivo assays. - Chapter 3. Characterization of transgenic maize plants expressing maize group 5 rab28 LEA gene under the ubiquitin promoter. Evaluation of Rab28 transcripts and protein levels, phenotype and stress tolerance traits of transgenic plants under drought stress. Investigation of the subcellular localization of transgenic and wild-type Rab28 protein using immunocytochemical approaches. / Las proteínas LEA, originalmente fueron descritas en las semillas de algodón; se acumulan en grandes cantidades en estructuras tolerantes a la desecación (semillas, polen) y en tejidos vegetativos sometidos a estrés abiótico, sequía, salinidad y frío. También se hallan en organismos anidrobióticos, en plantas de resurrección, algunos invertebrados y microorganismos. La presencia de proteínas LEA se correlaciona con la adquisición de tolerancia a la desecación. Desde un principio se les atribuyó un papel en las respuestas de las plantas en la adaptación al estrés (revisado en Bartels and Salamini 2001, Tunnacliffe 2007, Shih et al. 2010, Tunnacliffe 2010, Hand et al. 2011). Las proteínas LEA se clasifican en diversos grupos en función de dominios y secuencias de aminoácidos específicos (Wise 2010, Batagglia et al 2008, Bies-Ethève et al 2008). Los grupos 1, 2 y 3 son los más relevantes ya que abarcan la mayoría de las proteínas de la familia LEA. Una característica general de estas proteínas es su elevada hidrofilicidad, alto contenido de aminoácidos cargados y su falta de estructura en estado hidratado. A pesar de encontrarse mayoritariamente en forma de “random coil”, algunas adquieren un cierto grado de estructura durante la deshidratación o en la presencia de agentes promotores de α-hélices (Shih et al. 2010, Hand et al. 2011). A nivel celular se han hallado en todas las localizaciones, citosol, núcleo, nucleolo, mitocondria, cloroplasto, vacuola, retículo endoplásmico, peroxisoma y membrana plasmática, donde se supone ejercen su función protectora frente al estrés (Tunnacliffe and Wise 2007, Hundertmark and Hincha 2008). En relación a las modificaciones post-traduccionales, algunas se hallan fosforiladas (Jiang and Wang 2004; Plana et al. 1991, Heyen et al. 2002, Rohrig et al. 2006). Los efectos protectores de las varias proteínas LEA se han demostrado mediante ensayos in vitro y en aproximaciones transgénicas que han dado lugar a fenotipos resistentes a la sequía, sal y frío. Por lo general, se considera que estas proteínas contribuyen a la protección y a la estabilización de macromoléculas y estructuras celulares en las respuestas de adaptación al estrés en plantas; sin embargo, sus funciones específicas aún no han sido esclarecidas. A nivel molecular se ha propuesto que las funciones de las proteínas LEA pueden ser variadas: estabilización y renaturalización de proteínas, mantenimiento de membranas, en combinación, o no, con azúcares, tampones de hidratación (substitución de moléculas de agua), afinidad por iones y función antioxidante (Tunnacliffe and Wise 2007, Shih et al. 2010, Batagglia et al. 2008). Para finalizar, diremos que los objetivos principales de esta tesis consisten en ampliar los conocimientos sobre las proteínas LEA y sus funciones relativas a la tolerancia a la sequía. Los resultados están presentados en forma de capítulos.

El 17β-estradiol (E2) es un factor de riesgo tanto en la iniciación como en la progresión de cánceres hormonodependientes. El E2 modula el estrés oxidativo afectando, entre otras, a la proliferación celular y por tanto en el proceso tumorigénico. Los objetivos de la presente tesis fueron, estudiar la acción de las hormonas sexuales en la modulación del estrés oxidativo en las células cancerosas, y el estudio de la importancia del balance de los receptores estrogénicos alfa y beta (ERα y ERβ) en la acción del E2 en la función, la biogénesis y la dinámica mitocondrial, así como en el control del estrés oxidativo. Los resultados obtenidos en la presente tesis la importancia de la acción de E2 a través de los diferentes receptores sobre el estrés oxidativo, la función, la dinámica y la biogénesis mitocondrial, tanto en líneas celulares como en tumores de mama.

El síndrome de Down constituye la cromosomopatía más frecuente que ocurre en uno de cada 700 a 1000 nacimientos y está causado por la trisomía completa o por una parte del cromosoma 21 humano (HSA21). Aún se desconoce cómo la presencia del cromosoma 21 extra da lugar al fenotipo característico de este síndrome. En este sentido la participación de las especies reactivas de oxígeno (ROS) ha sido propuesta como uno de los mecanismos que intervienen en la patogénesis del mismo. Dicho mecanismo se fundamenta en la sobreexpresión de al menos 16 genes del HSA21 relacionados con el metabolismo de las especies reactivas de oxígeno (ROS) y con la generación de energía mitocondrial. Uno de estos genes es el que codifica una importante enzima del sistema antioxidante celular, el gen SOD1, propuesto como potencial culpable del estrés oxidativo inusual en los individuos con SD. En condiciones normales, los ROS, producidos in vivo principalmente por la respiración aeróbica, se eliminan de la célula por la acción de las enzimas antioxidantes, superóxido dismutasa (SOD), catalasa (CAT) y glutatión peroxidasa (GPx). La Cu/Zn superóxido dismutasa (SOD1) convierte el radical superóxido a peróxido de hidrógeno, el cual es eliminado por la glutatión peroxidasa y/o catalasa a agua y oxígeno. La sobreexpresión de la SOD1 puede producir un desequilibrio en la relación de las enzimas antioxidantes (SOD1, GPx y CAT) generando estrés oxidativo y podría resultar en el daño oxidativo a biomoléculas tales como ácidos grasos poliinsaturados en los lípidos de las membranas, proteínas esenciales y el DNA, ya que existe una variabilidad en los niveles de enzimas antioxidantes dentro de la población con SD, lo que puede estar relacionado con una desregulación compleja que afecte no sólo a los genes del HSA21 sino también en otros cromosomas. Así, el daño celular puede ser inducido por los ROS y asociarse a algunas de las alteraciones celulares en el SD, causando diversas patologías y conducir a un envejecimiento prematuro. Se obtuvieron 18 muestras de fibroblastos primarios fetales humanos, 9 de ellos con síndrome de Down (FT21) y 9 controles (FC), en los cuales se evaluó la disminución de la capacidad endógena antioxidante debido a la sobreexpresión de la SOD1, causando un exceso en la producción intracelular de ROS y el origen prematuro de estrés oxidativo asociado al daño oxidativo a lípidos y proteínas, así como a una disfunción mitocondrial. Se analizaron varios marcadores de senescencia celular con la finalidad de contribuir al conocimiento de un nuevo aspecto de la patología de este síndrome, el envejecimiento prematuro. Estos mecanismos fisiopatológicos podrían estar relacionados con la aparición y establecimiento de la senescencia celular prematura en los fibroblastos con trisomía del cromosoma 21 (FT21). / Down syndrome is the most common chromosomal disorder that occurs in 1 in 700 to 1,000 births and is caused by trisomy full or part of human chromosome 21 (HSA21). It is still unknown how the presence of the extra chromosome 21 results in the phenotype of this syndrome. In this sense the involvement of reactive oxygen species (ROS) has been proposed as one of the mechanisms involved in the pathogenesis of same. This mechanism is based on the overexpression of at least 16 genes related HSA21 metabolism of reactive oxygen species (ROS) and mitochondrial energy generation. One of these genes encoding is an important cellular antioxidant enzyme system, the SOD1 gene, proposed as a potential culprit unusual oxidative stress in individuals with DS. Under normal conditions, the ROS produced in vivo mainly by aerobic respiration of the cells are removed by the action of antioxidant enzymes, superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT) and glutathione peroxidase (GPx). The Cu/Zn superoxide dismutase (SOD1) converts the superoxide radical to hydrogen peroxide, which is eliminated by glutathione peroxidase and/or catalase into water and oxygen. SOD1 overexpression can produce an imbalance in the ratio of antioxidant enzymes (SOD1, GPx and CAT) generating oxidative stress and may result in oxidative damage to biomolecules such as polyunsaturated fatty acids in the membrane lipids, proteins and essential DNA, since there is a variability in the levels of antioxidant enzymes in the DS population, which can be related to a complex deregulation affects not only Hsa21 genes but also on other chromosomes. Thus, cell damage can be induced by ROS and associated with some of the cellular changes in the DS, causing various diseases and lead to premature aging. Eighteen samples were obtained from primary human fetal fibroblasts, 9 with Down syndrome (TF21) and 9 normal (NF), which was evaluated in decreasing endogenous antioxidant capacity due to overexpression of the SOD1, causing excess in intracellular production of ROS and oxidative stress origin associated premature oxidative damage to lipids and proteins, as well as mitochondrial dysfunction. We analyzed several markers of cellular senescence in order to contribute to the knowledge of a new aspect of the pathology of this syndrome, premature aging. These pathophysiological mechanisms may be related to the emergence and development of premature cellular senescence in fibroblasts with trisomy 21 (FT21).

Hcm1, es un factor transcripcional de la familia de los forkhead en Saccharomyces cerevisiae. Los factores forkhead se encuentran evolutivamente conservados, desde levaduras hasta humanos. En mamíferos estos factores regulan diversos procesos, entre ellos el ciclo celular, la supervivencia y la proliferación en respuesta a factores de crecimiento. Además, los factores FoxM, FoxO y sus ortólogos, participan en procesos como el envejecimiento y en enfermedades como el cáncer. Los estudios sobre Hcm1 en S. cerevisiae, indican que este factor es un regulador de la formación del spindle pole y de la expresión del cluster de genes necesarios en la fase S del ciclo celular. En el presente trabajo se estudió la regulación de Hcm1 sobre nuevos procesos celulares. En primer lugar, se demostró que Hcm1 regula positivamente la masa mitocondrial, el número de copias de ADN en esta organela y su actividad metabólica. Además, induce la metabolización de la glucosa favoreciendo el proceso oxidativo sobre la fermentación. Este cambio metabólico inducido por Hcm1, viene acompañado por una mayor resistencia celular al estrés. Además, se demostró que Hcm1 responde al estrés oxidativo aumentando su localización nuclear y su actividad transcripcional. Esta misma respuesta se observó cuando las células eran sometidas a restricción de glucosa o nitrógeno. En esta dirección estudiamos los mecanismos regulatorios de estas respuestas y se determinó que Sir2, una histona deacetilasa NAD+-dependiente relacionada con el envejecimiento y el silenciamiento genético, interacciona con Hcm1 y regula la respuesta a estrés de Hcm1. Paralelamente, analizamos la implicación de las vías AMPK y TOR/Sch9 en la regulación de Hcm1. De esta manera, demostramos que ambas vías son reguladoras de la respuesta de Hcm1 a restricción nutricional, ya que experimentos in vitro indicaron que Snf1 y Sch9 fosforilan Hcm1. El análisis de la expresión génica en la cepa salvaje y en el mutante hcm1, en diferentes puntos de la curva de crecimiento del cultivo, indicó que genes que se inducen durante esta cinética, y que están relacionados con el estrés y el metabolismo, son regulados por este factor. Los resultados obtenidos en este trabajo, permiten concluir que, además de su implicación en el ciclo celular, Hcm1 es un factor clave en la adaptación temprana de las células a la restricción nutricional y en la posterior entrada en fase diáuxica, a través de la inducción de metabolismo oxidativo mitocondrial y la respuesta a estrés. / Hcm1 is a forkhead transcription factor in Saccharomyces cerevisae. The forkhead factors are evolutionary conserved from yeast to human. In mammals, these factors regulate different processes, among them, cell cycle, cell survival and cell proliferation in response to growth factors. Moreover, FoxO, FoxM and their orthologues have been related to the aging process and cancer. Studies on Hcm1 in S. cerevisae indicate that this factor is related to spindle pole dynamics and the regulation of the cluster of genes required during the S phase of the cell cycle. In this work we studied Hcm1 implication on novel cellular processes. First, we demonstrated that Hcm1 positively regulates mitochondrial mass, mtDNA copy and mitochondrial activity. In addition, Hcm1 favours oxidative metabolism of glucose over its fermentation. This metabolic shift, is accompanied by an increase in cellular stress resistance. In response to oxidative stress treatments, Hcm1 shifts to the nucleus and its transcriptional activity is activated. A similar Hcm1 response was observed when the cells were submitted to glucose or nitrogen restriction. Additionally, we analyzed the regulatory mechanisms behind these responses. We demonstrated that Sir2, a NAD+ dependent histone deacetylase involved in aging and genetic silencing, interacts with Hcm1 and regulates its response to oxidative stress. In parallel, we analyzed the role of AMPK and TOR/Sch9 pathways on Hcm1 regulation. In this context, we observed that both pathways regulate Hcm1 in response to nutrient restriction in vivo. Moreover, Snf1 and Sch9 phosphorylate Hcm1 in vitro. Gene expression analysis on wild type cells and in hcm1 mutant at different points along the growth curve, indicated that genes that are upregulated during this kinetic and are related to stress response and metabolism, are regulated by Hcm1. Taken together, our results indicate that Hcm1 not only regulates cell cycle dynamics, but is also a key factor in the early adaptation of the cells to nutrient deficiency and later, to the entry into the diauxic phase. This adaptation is mediated by Hcm1 induction of oxidative metabolism and stress response.

La finalitat d’aquest estudi és, des d’una perspectiva fisiològica, descriure i comparar la resposta aguda a dues sessions d’entrenament de càrrega global moderada però de diferent intensitat i distribució de l’esforç. Els participants, 9 homes i 1 dona amb bona condició física, varen realitzar dues sessions d’entrenament que varen consistir en 45 minuts de cursa contínua al 90% de la velocitat del llindar de lactat individual (vIAT), o 8 sèries de 4 minuts de cursa al 105% de la vIAT i pauses de 2’30” (sessió CI). Abans i durant la recuperació es va procedir a l’extracció de sang venosa per a l’anàlisi dels paràmetres estudiats. Els resultats indiquen que l’exercici físic aeròbic en intervals causa una resposta pro-inflamatòria i pro-oxidant superior a la de l’exercici físic continu, però aquesta és de poca magnitud i transitòria. També s’ha apreciat que les concentracions plasmàtiques de lactat, IL-8 i d’urat augmenten més si la intensitat de l’esforç és elevada; mentre que les de IL-6 i IL-10 s’eleven en major mesura després de l’exercici físic continuo. Per altra banda, l’anàlisi del metaboloma plasmàtic suggereix que els canvis estan dominats per alteracions de compostos lipídics. En general els canvis varen ser moderats i transitoris, i no sembla que l’exercici aeròbic en intervals de durada mitjana suposi un risc elevat per a persones habituades a realitzar exercici físic. / La finalidad del estudio es, desde una perspectiva fisiológica, describir y comparar la respuesta aguda a dos sesiones de entrenamiento de carga global moderada pero de diferente intensidad y distribución del esfuerzo. Los participantes, 9 varones y 1 mujer con buena condición física realizaron dos sesiones de entrenamiento que consistieron en 45 minutos de carrera continua al 90% de la velocidad del umbral de lactato individual (vIAT), o 8 series de 4 minutos de carrera al 105% de la vIAT y pausas de 2’30”. Antes y durante la recuperación se procedió a la extracción de sangre venosa para el análisis de los parámetros estudiados. Los resultados indican que el ejercicio físico aeróbico en intervalos causa una respuesta pro-inflamatoria y pro-oxidante superior a la del ejercicio físico continuo de intensidad moderada, pero de poca magnitud y transitoria. També se ha apreciado que las concentraciones plasmáticas de lactato, IL-8 y urato aumentan más si la intensidad del esfuerzo es elevada; mientras que las de IL-6 y IL-10 crecen más después del ejercicio físico continuo. Por otro lado, el análisis del metaboloma plasmático sugiere que los cambios inducidos por el ejercicio están dominados por alteraciones de compuestos lipídicos. En general las alteraciones fueron moderadas y transitorias y no parece que el ejercicio aeróbico en intervalos suponga un riesgo elevado para las personas acostumbradas a realizar ejercicio físico regular. / The aim of the study was, from a physiological perspective, to describe and to compare the acute response to two training sessions of moderate global load, but of different intensity and distribution of the exertion. Participants, 9 men and one woman with good physical condition, performed two training sessions that consisted in 45 minutes of continuous running at the 90% of individual anaerobic threshold speed, or 8 series of 5 minutes at the 105% of individual anaerobic threshold speed with rest pauses of 2’30” between them. Before and during the recovery period venous blood samples were drawn for the analysis of hematologic and biochemistry parameters. Results show that aerobic interval training causes more pro-inflammatory and pro-oxidant response compared to continuous running at moderate intensity, but changes are moderate and transient. In the same way, lactate, IL-8 and urate plasma concentrations were superior after high intensity exercise, meanwhile IL-6 and IL-10 plasma concentrations were more respondents to continuous running and to the greater duration of the physical work. On the other hand, the non-oriented metabolomic approach suggests that changes in plasma metabolome induced by the exercise are dominated by lipid molecular species. Altogether changes were moderate and transient, and it seems that aerobic interval training does not represent an important risk for trained individuals.

En el llevat Saccharomyces cerevisiae els canvis en les condicions osmòtiques del medi extracel.lular són sensades per la MAP cinasa Hog1, la qual permet dur a terme l'adaptació cel.lular mitjançant la modulació de l'expressió gènica, de la traducció i de la progressió del cicle cel.lular. A l'inici d'aquest projecte de tesi, els mecanismes pels quals Hog1 controla l'expressió gènica no eren del tot coneguts. El nostre objectiu va ser caracteritzar el mecanisme molecular pel qual Hog1 modula la transcripció en resposta a estrès osmòtic. Hem aconseguit demostrar que el reclutament de Hog1 als promotors sensibles a estrès osmòtic per part del factor de transcripció és essencial per al reclutament i activació de la RNA polimerasa II, mecanisme que podria estar conservat en les cèl.lules eucariotes. També hem identificat noves activitats remodeladores de cromatina implicades en la resposta gènica a osmoestrès mediada per Hog1. Vàrem realitzar un cribatge genètic per identificar mutacions que provoquessin osmosensibilitat i una reducció en l'expressió de gens de resposta a estrès osmòtic. Aquest cribatge ens va permetre identificar nous reguladors de la transcripció mediada per osmoestrès: la histona deacetilasa Rpd3 i els complexes SAGA i mediador. Els nostres resultats permeten, doncs, definir un important paper per a Rpd3, SAGA i mediador en la inducció gènica mediada per Hog1, i han estat importants per assolir una millor visió de com les cinases activades per estrès regulen la iniciació de la transcripció. / In Saccharomyces cerevisiae, changes in the extracellular osmotic conditions are sensed by the HOG MAPK pathway, which elicits the program for cell adaptation, including modulation of gene expression, translation and cell-cycle progression. At the beginning of this PhD Project, the mechanisms by which Hog1 was controlling gene transcription were not completely understood. Our main objective was to characterize the molecular mechanisms by which the Hog1 MAPK modulates transcription upon osmostress. We have shown that anchoring of Hog1 to osmoresponsive promoters by the transcription factor is essential for recruitment and activation of RNA polymerase II, a mechanism that might be conserved among eukaryotic cells. In addition, we identified novel chromatin modifying and remodelling activities involved in the Hog1-mediated osmostress gene expression. We performed a genome-wide genetic screening searching for mutations that render cells osmosensitive and displayed reduced expression of osmoresponsive genes. Rpd3 histone deacetylase, SAGA and Mediator complexes were identified as novel regulators of osmostress-mediated transcription. Thus, our results define a major role for Rpd3, SAGA and Mediator in the Hog1-mediated osmostress gene induction, and have been important to achieve a better view of how a SAPK regulates transcription initiation.

La vitamina E incluye una serie de compuestos amfipáticos esenciales en la dieta tanto para humanos como para animales y que únicamente puede ser sintetizada por organismos fotosintéticos, los tocoferoles y los tocotrienoles. Descubierta a principios del siglo XX, no fue hasta los años 60 que se asoció a propiedades antioxidantes. En plantas, se sabe que los niveles de tocoferol (la forma mayoritaria en hojas) aumenta en respuesta al estrés y que está implicado en el control de los niveles de las especies reactivas del oxígeno, la síntesis de las cuáles suele aumentar drásticamente en condiciones de estrés y pueden ir asociadas a graves daños celulares si no se regulan adecuadamente sus niveles. También interviene en la prevención de la propagación de la peroxidación lipídica en condiciones de estrés oxidativo, además de otras nuevas funciones que poco a poco se van descubriendo, como la importancia durante la germinación de semillas, la implicación en el transporte de fotoasimilados o un posible papel en señalización celular. En esta tesis se estudió la regulación de la biosíntesis de α- y γ-tocoferol en condiciones de estrés abiótico (déficit hídrico y estrés salino), así como su posible implicación en señalización celular en la planta modelo Arabidopsis thaliana y en la planta con metabolismo CAM, Aptenia cordifolia. Pero la vitamina E no actúa sola. Como antioxidante, puede trabajar coordinadamente con el ascorbato o con carotenoides además de con diversas fitohormonas, por lo que además, se estudió el papel como mecanismo fotoprotector, juntamente con los carotenoides y los niveles hormonales, tanto en condiciones de estrés como influenciados por la edad de la hoja. Los estudios en A. thaliana se llevaron a cabo utilizando diversos mutantes ya fueran de etileno o de tocoferol como aproximaciones a sistemas deficientes de ambos compuestos. Se observó que el etileno promueve la síntesis de tocoferol en A. thaliana, de forma especifica a través de las proteínas EIN2, EIN3 y EIL1. Además, niveles elevados de etileno promueven aumentos de tocoferol en hojas viejas y mutaciones en el gen que codifica para la proteína EIN3 es capaz de resistir dosis moderadas de salinidad, cambiando el balance hormonal foliar y aumentando el estrés oxidativo. Sorprendentemente, la biosíntesis de tocoferol no resultó estar regulada a nivel transcripcional. En el modelo de planta CAM, la A. cordifolia, el ABA jugó un papel importante en la regulación de la biosíntesis de tocoferol en condiciones de déficit hídrico. Juntamente con el β-caroteno y el ciclo de las xantofilas, los tocoferoles ayudan a la protección del PSII en condiciones de déficit hídrico y estrés salino cuando la demanda de fotoprotección es elevada, pero cuando los carotenoides se empiezan a degradar, el tocoferol es incapaz de substituirlos. Además, el γ-tocoferol parece tener funciones específicas además de precursor del α-tocoferol influenciando de forma específica los niveles de expresión de genes implicados en la biosíntesis, percepción y señalización del etileno en A. thaliana. Finalmente, cabe destacar que el tocoferol interviene en la comunicación cloroplasto-núcleo a través de regular los niveles de expresión de genes relacionados con el etileno, formando parte de la intrincada red de señalización retrógrada. / Vitamin E includes different amphipathic compounds, tocopherols and tocotrienols, essentials in the diet of humans and animals. It can be synthesized only by photosynthetic organisms and it was discovered in the early twentieth century but it was not until the 60‘s when it was associated with its antioxidant properties. In plants, it is known that the levels of α-tocopherol (the major form in leaves) increase in response to stress and they are involved in the control of the levels of reactive oxygen species (ROS). Under stress conditions the levels of ROS tend to increase dramatically and they could be associated with serious cell damage if their levels are not properly regulated. Moreover tocopherols are involved in prevention of the lipidic peroxidation propagation under oxidative stress conditions. Furthermore, new functions are gradually being discovered, like their importance in the process of seed germination, their role on the transport of the photoassimilates or their possible function in cell signalling. During this PhD I have studied the regulation of the biosynthesis of α- and γ-tocopherol under abiotic stress conditions (water and salt stress) and their possible role in cell signalling in the model plant Arabidopsis thaliana and in the CAM plant, Aptenia cordifolia. As an antioxidant, it might work in coordination with ascorbate or carotenoids as well as with some phytohormones. That is why we have studied their role as photoprotective mechanism together with carotenoids and the hormone levels in both stress conditions and the influence of leave age. The studies in A. thaliana were carried out using tocopherol or ethylene mutants as approximations to deficient systems of both compounds. It was observed that ethylene promotes synthesis of tocopherol in A. thaliana, specifically through EIN2, EIN3 and EIL1 proteins. In addition, elevated levels of ethylene induced tocopherol increase in old leaves. ein3-1 mutant plants were able to withstand moderate doses of salinity, changing leaf hormonal balance and increasing oxidative stress. Surprisingly, the biosynthesis of tocopherol was not being regulated at the transcriptional level. In the model CAM plant, A. cordifolia, the ABA played an important role in the regulation of tocopherol biosynthesis under water stress conditions. Together with β-carotene and the xanthophyll cycle, tocopherols help in the protection of PSII under both water and salt stress conditions when the demand for photoprotection is high. When carotenoids were beginning to degrade, tocopherols were unable to replace them. In addition, the γ-tocopherol seemed to have specific functions not only as α-tocopherol precursor. It can specifically influence the expression levels of genes involved in ethylene biosynthesis, perception and signalling in A. thaliana. Finally, in this PhD thesis it is demonstrated that tocopherol is involved in the chloroplast-nucleus communication by regulating the expression levels of genes related to ethylene as part of the intricate network of retrograde signalling.

The present thesis aims to evaluate the use of antioxidant enzyme activities (AEA) of biofilm communities as biomarkers of metal pollution (mainly Zn) in fluvial ecosystems. In order to test AEA as biomarkers of metal pollution as well as their responses to environmental variables, several ecotoxicological experiments have been performed. A zoom from field studies (with high ecological realism) to microcosm experiments (under controlled conditions) has been done to fill the gap between both approaches and understand AEA responses under a multiple-stress (environmental and metallic) scenario. The field studies were carried out in the Riera d’Osor, a tributary of the Ter, located in the region of La Selva (Girona province) / L’objectiu d’aquesta tesi és avaluar l’ús de les activitats enzimàtiques antioxidants (AEA) dels biofilms com a biomarcadors de contaminació metàl·lica (principalment per zinc (Zn)) en els ecosistemes fluvials. Per tal d’estudiar la resposta de les AEA a la contaminació metàl•lica, així com també la resposta a altres canvis ambientals (situacions d’estrès múltiple), s’han realitzat diversos experiments ecotoxicològics fent un zoom des d’estudis de camp (amb un elevat realisme ecològic) fins a un estudi de laboratori utilitzant microcosmos (amb condicions controlades). Els estudis de camp s’han dut a terme a la riera d’Osor, afluent del Ter, situada a la comarca de la Selva (província de Girona)

Els organismes responen a la temperatura i a molts altres estressos sintetitzant un grup de proteïnes anomenat proteïnes de xoc de calor (HSPs). En plantes les sHsps, d'entre 15 i 30 kDa formen el grup més abundant i divers, classificat en funció de la seva localització subcel.lular i homologia en: mitocondrials, cloroplàstiques, de reticle endoplasmàtic i citoplàsmiques de classe I i II. Les sHsps-CI s'ha descrit que s'indueixen per estrès tèrmic, hídric i oxidatiu (peròxid d'hidrògen, llum UV, ozó) i en resposta a algunes hormones. També s'expressen durant el desenvolupament, per exemple durant l'embriogènesi, on es creu que podrien tenir un paper protector de l'embrió enfront la dessecació. Tot i que hi ha abundants treballs que correlacionen la resistència a l'estrès i l'acumulació de sHsps-CI, els mecanismes moleculars d'aquesta activitat són poc conguts. Tot i això, per diverses sHsps-CI ha estat descrita una activitat xaperona in vitro i, més recentment, que la seva sobreexpressió augmenta la viabilitat de cèl.lules d'E.coli en condicions d'estrès tèrmic.L'estudi de l'acumulació de sHsps-CI en surera (Quercus suber) mitjançant immunodetecció en electroforesi bidimensional mostra uns patrons d'acumulació complexos i formats per dos grups d'espècies proteiques principals, a l'entorn dels 10 i 17 kDa respectivament, que mostren una inducció diferencial en funció del teixit i l'estrès. Mentre que les espècies proteiques de 17 kDa s'indueixen per temperatura però no per estrès oxidatiu, les de ca. 10 kDa ho fan per estrès oxidatiu i no per temperatura. Ambdós grups d'espècies proteiques s'acumulen conjuntament en fel.lema. Assajos de PCR i RT-PCR han permès clonar parcialment tres noves sHsps-CI en surera: Qshsp10-CI, QshspC-CI i QshspD-CI. Aquest fet confirma la multigeneïcitat de les sHsps-CI en surera que apuntava el patró bidimensional. Dels nous clons obtinguts destaca especialment Qshsp10-CI, un gen que presenta un codó stop enmig del domini -cristal.lí que fa que a la proteïna que se'n dedueix li manqui un 55% del domini -cristal.lí i tota l'extensió C-terminal. Es tractaria de la sHsp més petita i més truncada descrita fins al moment. L'anàlisi de l'expressió de Qshsp10-CI mitjançant RT-PCR mostra expressió en plantes tractades amb H2O2 però no en les que han estat sotmeses a un xoc de calor. Aprofitant l'oportunitat que oferia aquesta sHsp-CI de ser utilitzada com a model per l'estudi de la importància del domini -cristal.lí i l'extensió C-terminal en l'activitat protectora enfront l'estrès, es va voler determinar la capacitat que tenia d'augmentar la viabilitat de cèl.lules d'E. coli en condicions d'estrès tèrmic i oxidatiu. Els resultats mostren que la proteïna recombinant QsHsp10-CI, tot i la important truncació que té, és capaç de protegir cèl.lules d'E. coli en condicions d'estrès tèrmic i, remarcablement, en condicions d'estrès oxidatiu. Tots aquests resultats indiquen que les espècies proteiques de ca. 10 kDa podrien correspondre a Qshsp10-CI i tenir un paper en les cèl.lules del fel.lema en la protecció enfront l'estrès oxidatiu.L'estrès oxidatiu provoca lesions al DNA que poden produir errors en la replicació, transcripció o traducció i generar proteïnes aberrants. Donades les condicions d'estrès oxidatiu a les quals es troben sotmeses les cèl.lules del fel.lema, s'ha volgut estudiar la variabilitat dels seus àcids nucleics. La determinació de la taxa de mutació de la regió codificant del gen Qshsp17.4-CI en mRNA i DNA de fel.lema i àpex radicular, un teixit jove i en creixement actiu va mostrar unes taxes sorprenentment elevades en l'mRNA (1/1784 pb) i el DNA genòmic (1/1520 pb) del fel.lema. Aquestes taxes són les més altes descrites en un genoma nuclear eucariota i són similars a les dels virus d'RNA d'evolució ràpida com el virus de l'Hepatitis C. Amb aquestes taxes de mutació, un terç dels mRNAs del fel.lema de la surera contindrien missatges aberrants i la supervivència de les cel.lules es veuria compromesa. Això implica que el fel.lema hauria de ser considerat com un mosaic de cèl.lules genèticament heterogènies i, per tant, una sola seqüència no defineix en tota la seva amplitud un gen en aquest teixit. No es va detectar cap mutació en àpex de rel. Amb l'objectiu d'aprofundir en el coneixement de les mutacions que es donen en aquests dos teixits i per tal de poder fer una anàlisi qualitativa més completa que permetés especular sobre el seu origen, es va aplicar un mètode de selecció de seqüències mutants en base a la utilització d'enzims de restricció. Les mutacions detectades en fel.lema es corresponen amb les relacionades, en altres sistemes no nuclears (plasmidis, fags i DNA bacterià), amb l'estrès oxidatiu. En conseqüència, l'estrès oxidatiu al qual estan sotmeses les cèl.lules del fel.lema podria ser el causant de l'elevada taxa de mutació detectada. D'acord amb això, el tipus majoritari de productes d'oxidació de les bases del DNA que s'acumulen en brots de plàntules de surera en resposta al peròxid d'hidrògen produeixen el mateix tipus de mutacions detectades en l'mRNA del fel.lema de la surera. La major sensibilitat d'aquest nou mètode ha permès, a més, detectar mutacions en molècules d'mRNA de rel, un teixit en el qual no s'havia trobat cap mutació utilitzant el mètode de clonatge i seqüenciació directa. Tot i això, el tipus de mutacions predominants no estan relacionades amb l'estrès oxidatiu sinó amb erros en la reparació dels àcids nucleics. / Small heat shock proteins (sHsps,15-30 kDa) are the most abundant and diversified Hsps in plants. They have been classified according to its homology and cellular localisation in: mitochondrial, chloroplastic, endoplasmic reticulum and class I and II citoplasmic sHsps. Although sHsps-CI are involved in the stress response and accumulate at some stages of embryonic development and there is abundant work correlating stress resisitance and sHsps accumulation, the molecular mechanisms of their activity are not well known. However, in vivo and in vitro chaperone activity under temperature stress has been described. 2D immunodetection patterns of cork oak (Quercus suber) sHsps-CI (thermic, hydric and oxidative). At the 17 kDa region there is a set of protein species highly induced by temperature and, at least some of them correspond to QsHsp17.4-CI. On the other hand, protein species at the ca. 10 kDa region are highly induced under oxidative stress conditions and accumulate in the endogenous oxidatively stressed tissues xylem and phellem but not after a heat shock. PCR and RT-PCR assays allowed us to clone three new members of the sHsps-CI multigenic family in cork oak. Among them, Qshsp10-CI is specially interesting because codes for a truncated protein that lacks 55% of the -crystallin domain and all the C-terminal extension, being the more C-terminal truncated sHsp reported to date. Overexpression of recombinant QsHsp10-CI and a more truncated protein lacking the whole -crystallin domain in E. coli cells shows that most of the -crystallin domain and all the C-terminal extension are dispensable, but amino acids 1 to 41 of the -crystallin domain (including the consensus II region) are essential for sHsps-CI protective activity under temperature and oxidative stress conditions. The expression of Qshsp10-CI in response to oxidative but not temperature stress and its protective activity of E. coli cells under oxidative stress conditions points to a correspondence between Qshsp10-CI and the ca. 10 kDa protein species detected in 2D immunodetections and a protective activity of those in the oxidatively stressed phellem cells. Endogenous oxidative stress of phellem cells might generate mutations accumulation in nucleic acids. Variability analyses of DNA and mRNA of phellem cells in the coding region of Qshsp17.4-CI showed a surprisingly high rate of mutation in both mRNA (1/1784 bp) and genomic DNA (1/1520 bp). These are the highest rates described for a nuclear eukariotic genome and are similar to those detected in RNA viruses. With these mutation rates one third of mRNAs of phellem cells would contain mutations and code for abnormal proteins. No mutations were detected in root tip, a normally growing young tissue. With the aim of deeping into the nature of mutations that accumulate in phellem cells, we applied a method to in vitro select mutant sequences using restriction enzymes. The types of mutation predominant in phellem cells mRNA were those related with oxidative stress in other systems (plasmids, phages and bacterial DNA). In addition, the predominant DNA lesions that accumulate in H2O2 treated cork oak plantlets, as shown by GC-MS analyses, generate the same type of mutations detected in mRNA of phellem cells. Accordingly, the high accumulation of mutations detected in phellem cells might be due to its endogenous oxidative stress. Moreover, young and actively growing tissues are also subjected to a certain degree of base lesions and mRNA mutations. However, both mutational spectrum and accumulation levels are different compared to oxidatively stressed tissues.

En aquest treball es caracteriza per primera vegada la capacitat de coordinació metàl·lica d'una metal·lotineïna (MT) de planta i es proposa un model de plegament per a les MTs de planta en general. Els resultat mostren que aquestes proteïnes poden tenir un paper molt important en la regulació de l'estat redox de les cèl·lules, probablement a través de la coordinació a Cu.Les MTs de planta són proteïnes molt desconegudes. Es postula que participen en l'homeòstasi del Cu i en la protecció contra l'estrès oxidatiu, però es desconeix la capacitat de coordinació metàl·lica i el plegament. En aquest treball s'han estudiat una metal·lotioneïna d'alzina surera, QsMT, aïllada d'una llibreria de cDNA de fel·lema. Els objectius concrets han estat: (1) estudiar l'expressió de QsMT i la resposta a l'estrès oxidatiu; (2) determinar la capacitat de coordinació metàl·lica i la funcionalitat in vivo; (3) fer una aproximació al plegament de les MTs de planta. L'expressió del gen s'ha estudiat mitjançant hibridació in situ en plàntules i en embrions d'alzina surera. QsMT s'expressa majoritàriament en cèl·lules amb fort estrès oxidatiu, associat a la síntesi de polifenols (suberització i lignificació) i a la senescència. També s'expressa en cèl·lules meristemàtiques, cèl·lules en divisió molt activa on la funció de les MTs podria estar relacionada amb el manteniment de l'estat redox. L'aplicació d'estrès oxidatiu exogen (H2O2 i paraquat) incrementa fortament l'expressió de QsMT en teixits amb expressió constitutiva, confirmant la regulació de l'expressió del gen per estrès oxidatiu.Per l'estudi de les propietats de coordinació metàl·lica es va expressar QsMT en cèl·lules d'E. coli en medi de cultiu suplementat amb Cu, Zn o Cd. Es van aïllar els agregats metàl·lics corresponents i es van analitzar mitjançant tècniques espectroscòpiques i espectromètriques (ICP-OES, ESI-MS i CD). Els resultats mostren que QsMT coordina de forma estable Cu (8 ions metàl·lics/molècula), Zn (4 ions de Zn/molècula) i Cd (6 ions de Cd/molècula), i adopta una estructura especialment quiral en coordinació a Cu. L'elevada capacitat quelant de la proteïna i la quiralitat de l'estructura indiquen que QsMT possiblement té preferència metàl·lica pel Cu i per tant una funció relacionada amb aquest metall in vivo. Estudis de complementació en llevat demostren que QsMT coordina Cu de forma funcional in vivo. En coordinació a Cd QsMT presenta una peculiaritat no observada fins ara en altres MTs: la participació d'ions sulfur en la formació de l'agregat metàl·lic incrementant la capacitat de coordinació metàl·lica (6 ions metàl·lics divalents de Cd enlloc de 4 ions de Zn). A més QsMT coordina Cd de forma funcional en llevat, i per tant la seva funció també podria estar relacionada amb la destoxicació de Cd en la planta.QsMT s'ha utilitzat com a model per fer una aproximació al plegament de les MTs de planta. Amb aquest objectiu vam dissenyar tres pèptids mutants derivats de QsMT: N25 corresponent a la zona rica en cisteïna en posició amino-terminal, C18 corresponent a la zona rica en cisteïna en posició carboxil-terminal, i N25-C18 corresponent a les dues zones riques en cisteïna enllaçades per 4 glicines substituint la zona central de 39 aminoàcids. Es van expressar i estudiar aquests pèptids per les mateixes tècniques utilitzades en l'estudi de QsMT. Els resultats indiquen que QsMT es plega formant un sol agregat metàl·lic per la interacció de les dues zones riques en cisteïna. En aquest model la zona central d'enllaç, típica de les MTs de planta, no participa en la coordinació metàl·lica però és imprescindible per a la funció de la proteïna. El paper de la zona central podria variar en funció del metall que coordina, participant en el plegament i estructura de la proteïna quan coordina Zn i Cd i en la seva regulació i estabilització quan coordina Cu. / In this work we characterize for the first time the metal coordination capacity of a plant metallothionein (MT), and propose a model for the protein folding of plant MTs in general. Results show that these proteins can play a very important role in the regulation of the cellular redox, probably through its copper-coordination ability.Plant MTs are largely unknown proteins. It is postulated that they play a role in copper homeostasis and protection against oxidative stress, but precise function of these proteins, as well as its metal coordination capacity remain unknown.In this work we have studied a cork oak metallothionein, QsMT, isolated from phellem cDNA library. Our main objectives were: (1) to study the QsMT gene expression and its response to oxidative stress; (2) to determine the protein metal coordination properties and the functionality in vivo; (3) to estimate a type of folding for plant MTs.The sudy of the gene expression has been carried out by in situ hybridization in cork oak plants and embryos. QsMT is mainly expressed in cells with high oxidative stress associated to both polyphenol synthesis (suberization and lignification) and senescence. QsMT is also expressed in meristematic cells, where its function could be related to the redox regulation. The oxidative treatment (H202 and paraquat) highly increases gene expression in tissues with constitutive expression, confirming its regulation by oxidative stress.To characterize the protein metal coordination properties we expressed QsMT in E. coli cells in culture medium supplemented with Cu, Zn or Cd. We isolated the corresponding metal aggregates and analyzed them using spectroscopic and spectrometric techniques (ICP-OES, ESI-MS, CD). Results show that QsMT effectively binds Cu (8 ions/molecule), Zn (4 ions/molecule) and Cd (6 ions/molecule), and presents highest chirality when folds with copper. The high binding capacity and chirality of the protein in the presence of copper suggest that QsMT may play a function related to this metal in vivo. Functional complementation studies confirm that QsMT functionally binds copper in vivo. When coordinating Cd QsMT presents a peculiarity not seen in other MTs: the participation of sulfur ions in the formation of the metal aggregate, this increasing the coordination capacity (6 Cd/molecule in contrast to 4 Zn/molecule). Moreover, QsMT functionaly binds Cd in yeast, suggesting that the protein function could also be realted to a Cd detoxification role in plant.We have also used QsMT as a model for the study of the folding of plant MTs. With this aim we designed three mutant peptides derived from QsMT: N25 corresponding to the amino Cys-rich domain; C18 corresponding to the carboxy Cys-rich domain; and N25-C18 corresponding to the two Cys-rich domains linked by 4 glycines in substitution to the central 39 amino acid region. Peptides were expressed and studied using same techniques used for the study of QsMT. Results point to a protein folding in one metal cluster formed by the interaction of the two Cys-rich domains. In this model the central region, typical from plant MTs, does not participate in metal coordination but is indispensable for the protein function. The role of the central region could depend on the metal it coordinates, playing a role in the protein folding and structure when it binds Zn or Cd and a role in protein regulation and stability when it binds Cu.