Els gens estan sotmesos a forces selectives diferents. Un dels objectius de la Biologia Evolutiva és entendre els factors que determinen aquestes diferències. Els gens rarament actuen de manera aïllada, sinó que normalment funcionen com a elements de xarxes complexes formades per un gran nombre de molècules que interactuen entre si. Tot i la rellevància d’aquestes xarxes per entendre l’evolució dels gens, les propietats evolutives d’aquestes xarxes són encara poc conegudes. En aquesta tesi hem estudiat les forces selectives (selecció positiva i negativa) que han actuat sobre els gens implicats en la via de la insulina/TOR, i hem relacionat aquestes forces amb la posició dels gens a la via. Aquest estudi s’ha realitzat en 12 espècies del gènere Drosophila (primer article de la tesi), i en 6 espècies de vertebrats (humà, ratolí, vaca, opòssum, ornitorinc i pollastre) (segon article). A aquests efectes, s’han identificat i anotat els gens implicats a la via en totes les espècies estudiades, s’ha reconstruït la seva història evolutiva mitjançant tècniques d’anàlisi filogenètica, i s’han caracteritzat les forces evolutives que hi han actuat a partir de la relació la divergència no sinònima (dN) i sinònima (dS), ω = dN/dS. Totes les famílies gèniques estudiades tenen almenys un representant a totes les espècies estudiades. A més, tots els gens estudiats estan sotmesos a selecció purificadora, la qual cosa indica que aquests gens són funcionals. Per tant, tots els organismes estudiats presenten una via de la insulina/TOR completa i funcional. Tant a Drosophila com a vertebrats, observem que el nivell de limitació funcional (o selecció purificadora) sota el que evolucionen els gens es correlaciona amb la posició dels gens a la via (mesurada com el nombre de passos des del receptor de la insulina –posició 0– fins la resta de components –posicions 1 a 10), essent els gens de la part downstream els que evolucionen sota un major grau de limitació funcional. El sentit d’aquesta correlació és contrari al que s’ha trobat generalment en rutes metabòliques, on són els gens de la part upstream es que estan sotmesos a un major grau de limitació funcional. Vam avaluar l’impacte d’una sèrie de factors que es correlacionen amb ω (selecció positiva, nivell d’expressió gènica, nombre de teixits en què un gen s’expressa, grau d’esbiaix en l’ús de codons, longitud de les proteïnes codificades, i connectivitat en la xarxa d’interaccions proteïna-proteïna) sobre aquesta correlació. Aquesta anàlisi demostra que la correlació entre la posició a la via i els graus de limitació funcional és independent d’aquests factors. A més, observem que els gens que codifiquen proteïnes que interactuen físicament evolucionen sota seleccions selectives semblants, la qual cosa indica que aquestes proteïnes co-evolucionen. En global, aquests resultats indiquen clarament que els nivells de limitació funcional als què estan sotmesos els gens de la via de la insulina/TOR depenen de la posició que les proteïnes codificades ocupen a la via. Per tant, l’arquitectura de la via té un impacte sobre l’evolució dels seus gens. / Genes are subject to disparate evolutionary forces. One of the goals in Evolutionary Biology is to understand the factors underlying these differences. Genes rarely act in isolation, but they rather operate as elements of complex networks of interacting molecules. Despite the relevance of these networks for understanding gene evolution, the evolutionary properties of these networks remain poorly understood. In this thesis we have studied evolutionary forces (positive and negative selection) that acted on genes involved in the insulin/TOR pathway, and we have related these forces to the position that genes occupy in the pathway. This study has been performed in 12 species of the genus Drosophila, and in 6 vertebrate species. For that purpose, we have (1) identified and annotated the genes involved in this pathway in these species; (2) reconstructed their evolutionary history using phylogenetic analysis; and (3) characterized evolutionary forces that have acted on these genes from the nonsynonymous (dN) to synonymous (dS) divergence ratio (ω = dN/dS). All the studied gene families have at least one representative in all studied species. Furthermore, all studied genes evolve under purifying selection, indicating that they are functional. Therefore, all studied organisms have a complete and functional insulin/TOR pathway. In both Drosophila and vertebrates, we observed that the strength of purifying selection acting on genes correlates with their positions in the pathway, with downstream genes evolving under stronger selective constraint. We evaluated the impact of a number of factors (positive selection, gene expression level and breadth, codon bias, protein length, and connectivity in the protein-protein interaction network) on the observed correlation. This analysis shows that the correlation between pathway position and the strength of purifying selection is independent of these factors. Furthermore, we observed that genes encoding proteins that physically interact evolve under similar selective pressures, which indicates that these proteins co-evolve. Taken together, these results clearly indicate that levels of selective constraint acting on genes of the insulin/TOR pathway are affected by the position that their encoded products occupy in the pathway. Therefore, the structure of the pathway has an effect on the patterns of molecular evolution of its components.

This doctoral project is focused on the development and analysis of algorithms for the reconstruction of genome-scale metabolic models, such algorithms include decision-making based on probabilistic criteria. As a fundamental result of the doctoral research, the web application Computational Platform to Access Biological Information (COPABI), which can reconstruct genome-scale metabolic models of biological systems, has been developed. During its computational implementation, it was followed the methodology used for the reconstruction of the first genome-scale metabolic model of a photosynthetic microorganism, the Synechocystis sp. PCC6803. Different mathematical algorithms were applied to compare the models that were automatically generated by COPABI with those published in the literature for different species. / El presente proyecto doctoral se ha centrado en el desarrollo y análisis de algoritmos para la reconstrucción de modelos metabólicos a escala genómica; tales algoritmos incluyen la toma de decisiones a partir de criterios probabilísticos. Como resultado fundamental de la investigación doctoral cabe destacar que se ha desarrollado la aplicación web Computational Platform to Access Biological Information (COPABI) que permite reconstruir modelos metabólicos a escala genómica de sistemas biológicos. Durante su implementación computacional, se ha seguido la metodología usada para la reconstrucción del primer modelo metabólico a escala genómica de un microorganismo fotosintético, la Synechocystis sp. PCC6803. Se aplicaron diferentes algoritmos matemáticos para comparar los modelos generados automáticamente por COPABI con los publicados en la literatura para diferentes especies. / Reyes Chirino, R. (2013). Desarrollo y análisis de algoritmos probabilísticos para la reconstrucción de modelos metabólicos a escala genómica [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/34344

[ES] La resistencia a los antibióticos en la tuberculosis es un grave problema de salud mundial y un obstáculo creciente para el control de la enfermedad. En esta tesis utilizamos la genómica como herramienta para estudiar diferentes aspectos de la biología de la bacteria en relación con el desarrollo de resistencia a los antibióticos y aportar nuevos conocimientos para afrontar el reto de su erradicación. En primer lugar, caracterizamos los nuevos determinantes genómicos de la resistencia a isoniazida utilizando un enfoque basado en genómica funcional y asociación filogenética. El método consiste en la secuenciación de transposones de bacterias expuestas al antibiótico para determinar los genes implicados tanto en sensibilidad como en resistencia, y su filtrado con datos genómicos de una colección global de cepas clínicas. Hemos comprobado la importancia de las rutas metabólicas de síntesis de la pared bacteriana en el mecanismo de acción de los antibióticos, y también hemos descubierto nuevos genes implicados en el equilibrio redox celular que confieren resistencia de bajo nivel. Estos resultados pueden utilizarse para desarrollar nuevas técnicas de diagnóstico o dianas terapéuticas, y el método es aplicable a nuevos antibióticos para predecir futuros determinantes de resistencia. En segundo lugar, exploramos la diversidad bacteriana de la tuberculosis en su sitio natural de infección. Hemos analizado muestras de diferentes partes de la lesión pulmonar de pacientes en Georgia, un país con una alta incidencia de tuberculosis resistente, y hemos detectado un número significativo de infecciones policlonales (causadas por dos o más cepas diferentes). Estas diferentes cepas pueden a su vez ser resistentes a diferentes antibióticos, por lo que es fundamental detectarlas a tiempo. Las muestras quirúrgicas nos dieron una imagen más completa de la diversidad bacteriana que el esputo de rutina, y nos permitieron detectar infecciones policlonales con mayor precisión. Este tipo de infecciones se están subestimando en países con alta carga de TB y pueden afectar negativamente al resultado del tratamiento, por lo que en estos entornos sería recomendable una segunda muestra durante el curso del régimen de antibióticos. Y en tercer lugar, evaluamos el papel del VIH en el desarrollo de resistencias durante las primeras semanas de tratamiento. Para ello, hemos tomado muestras de pacientes de Mozambique con y sin VIH de forma seriada durante el primer mes para analizar cuál es el impacto de la coinfección en las presiones selectivas inmunes y antibióticas. Hemos detectado una mayor diversidad total en los pacientes seronegativos y, en comparación, los pacientes VIH+ presentan dificultades para eliminar esta diversidad durante las etapas tempranas del tratamiento que podrían afectar a su éxito. Gracias a la secuenciación profunda, también hemos podido observar una acumulación de variantes en genes relacionados con resistencia, y hemos asociado algunas de ellas a cambios en las CMI (concentraciones mínimas inhibitorias) de las muestras. Estos pequeños cambios tempranos pueden servir como predictores de una menor capacidad para eliminar la diversidad bacteriana, y podrían indicar un futuro fallo de tratamiento. En resumen, en esta tesis nos hemos centrado en entender mejor los factores bacterianos y del hospedador que impactan el desarrollo de la tuberculosis resistente a antibióticos y como resultado permitirán desarrollar nuevos diagnósticos y modelos epidemiológicos para controlarla. La secuenciación genómica es una gran herramienta para estudiar éste y otros patógenos y ofrece la posibilidad de detectar resistencias rápidamente y con alta precisión en el ámbito clínico. Un correcto diagnóstico asegura un tratamiento adecuado, más corto y exitoso, y además previene la transmisión a nuevos huéspedes. Las técnicas y resultados expuestos aquí contribuyen a lograr estos objetivos y mejorar el control global de la epidemia de TB resistente. / [CA] La resistència als antibiòtics a la tuberculosi és un greu problema de salut mundial i un obstacle creixent per al control de la malaltia. En aquesta tesi utilitzem la genòmica com a eina per estudiar diferents aspectes de la biologia del bacteri en relació amb el desenvolupament de resistència als antibiòtics i aportem nous coneixements per fer front al repte de la seua eradicació. En primer lloc, caracteritzem els nous determinants genòmics de la resistència a isoniazida utilitzant una aproximació basada en genòmica funcional i associació filogenètica. El mètode consisteix en la seqüenciació de transposons de bacteris exposats a l'antibiòtic per determinar els gens implicats tant en sensibilitat com en resistència, i el filtratge amb dades genòmiques d'una col·lecció global de soques clíniques. Hem comprovat la importància de les rutes metabòliques de síntesi de la paret bacteriana en el mecanisme d'acció dels antibiòtics, i també hem descobert nous gens implicats en l'equilibri redox cel·lular que confereixen resistència de baix nivell. Aquests resultats es poden utilitzar per desenvolupar noves tècniques de diagnòstic o dianes terapèutiques, i el mètode és aplicable a nous antibiòtics per predir futurs determinants de resistència. En segon lloc, explorem la diversitat bacteriana de la tuberculosi al seu lloc natural d'infecció. Hem analitzat mostres de diferents parts de la lesió pulmonar de pacients de Geòrgia, un país amb alta incidència de tuberculosi resistent, i hem detectat un nombre significatiu d'infeccions policlonals (causades per dues o més soques diferents). Aquestes soques poden ser resistents a diferents antibiòtics, per la qual cosa és fonamental detectar-les a temps. Les mostres quirúrgiques ens van donar una imatge més completa de la diversitat bacteriana que l'esput de rutina, i ens van permetre detectar infeccions policlonals amb més precisió. Aquest tipus d'infeccions s'estan subestimant en països amb alta càrrega de TB i poden afectar negativament el resultat del tractament, per això en aquests entorns seria recomanable una segona mostra durant el curs del règim d'antibiòtics. I en tercer lloc, avaluem el paper del VIH en el desenvolupament de resistències durant les primeres setmanes de tractament. Per això, hem pres mostres de pacients de Moçambic amb i sense VIH de manera seriada durant el primer mes per analitzar quin és l'impacte de la coinfecció en les pressions selectives immunes i antibiòtiques. Hem detectat una major diversitat total en els pacients seronegatius i, en comparació, els pacients VIH+ presenten dificultats per eliminar aquesta diversitat durant les primeres etapes del tractament que podrien afectar el seu èxit. Gràcies a la seqüenciació profunda, també hem pogut observar una acumulació de variants en gens relacionats amb resistència, i n'hem associat algunes a canvis en les CMI (concentracions mínimes inhibitòries) de les mostres. Aquests petits canvis primerencs poden servir com a predictors d'una capacitat menor per eliminar la diversitat bacteriana, i podrien indicar un futur fracàs del tractament. En resum, en aquesta tesi ens hem centrat a entendre millor els factors bacterians i de l'hoste que impacten el desenvolupament de la tuberculosi resistent a antibiòtics i com a resultat permetran desenvolupar nous diagnòstics i models epidemiològics per controlar-la. La seqüenciació genòmica és una gran eina per estudiar aquest i altres patògens i ofereix la possibilitat de detectar resistències ràpidament i amb alta precisió a l'àmbit clínic. Un diagnòstic correcte assegura un tractament adequat, més curt i exitós, i prevé la transmissió a nous hostes. Les tècniques i els resultats exposats aquí contribueixen a assolir aquests objectius i millorar el control global de l'epidèmia de tuberculosi resistent. / [EN] Antibiotic resistance in tuberculosis is a serious global health problem and a growing obstacle to the control of the disease. In this thesis we use genomics as a tool to study different aspects of the biology of the bacterium in relation to the development of antibiotic resistance and provide new knowledge to meet the challenge of its eradication. First, we characterize new genomic determinants of resistance to isoniazid by using an approach based on functional genomics and phylogenetic association. The method consists of transposon sequencing of bacterial populations exposed to the antibiotic to determine the genes involved in both sensitivity and resistance, and their filtering with genomic data from a global collection of clinical strains. We have verified the importance of the metabolic pathways of bacterial wall synthesis in the mechanism of antibiotic action, and also discovered new genes involved in cellular redox balance that confer low-level resistance to the bacteria. These results can be used to develop new diagnostic techniques or therapeutic targets, and the method is applicable to new antibiotics to predict future resistance determinants. Second, we explored the bacterial diversity of tuberculosis at its natural site of infection and the population dynamics of antibiotic resistance. We have analyzed samples from different parts of the lung lesion from patients in Georgia, a country with a high incidence of resistant tuberculosis, and detected a significant number of polyclonal infections (caused by two or more different strains). These different strains can in turn be resistant to different antibiotics, which makes it essential to detect them in time to offer the patient the most appropriate treatment possible. The surgical specimens gave us a more complete picture of bacterial diversity than sputum, the routine clinical specimen, and allowed us to detect polyclonal infections more accurately. The data show that we are underestimating these types of infections in high TB burden countries and they may adversely affect treatment outcome, so in these settings a second sampling during the course of the antibiotic regimen would be advisable. Third, we evaluated the role of one of the most important comorbidities of tuberculosis, HIV, in the development of resistance during the first weeks of treatment. To this end, we have sampled patients from Mozambique with and without HIV on a serial basis during the first month to analyze the impact of co-infection on both immune and antibiotic selective pressures. We have detected a higher total diversity in seronegative patients and furthermore, in comparison, HIV+ patients present difficulties in eliminating this diversity during the early stages of treatment that could affect their success. Thanks to deep sequencing, we have also been able to observe an accumulation of variants in resistance-related genes, and we have associated some of them with changes in the MICs (minimum inhibitory concentrations) of the samples. These small changes during the first month may serve as predictors of a reduced ability to eliminate bacterial diversity, and could indicate future treatment failure. In summary, in this thesis we have focused on better understanding the bacterial and host factors that have an impact on the development of antibiotic resistant tuberculosis and as a result will allow the development of new diagnostics and epidemiological models to control it. Genomic sequencing is a great tool to study this and other pathogens in real time, and offers the possibility of detecting resistance quickly and with high certainty in the clinical setting. A correct diagnosis ensures adequate, shorter and more successful treatment, and also prevents transmission to new hosts. The techniques and results presented here contribute to achieve these objectives and improve the global control of the resistant tuberculosis epidemic. / Moreno Molina, MÁ. (2023). Functional and evolutionary genomics of antibiotic resistance in tuberculosis: from biology to global DR-TB control [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/199255

The aetiology of common diseases is shaped by the effects of genetic and environmental factors. Big efforts have been devoted to unravel the genetic basis of disease with the hope that it will help to develop new therapeutic treatments and to achieve personalized medicine. With the development of high-throughput genotyping technologies, hundreds of association studies have described many loci associated to disease. However, the depiction of disease architecture remains incomplete. The aim of this work is to perform exhaustive comparisons across human populations to evaluate pressing questions. Our results provide new insights in the allele frequency of risk variants, their sharing across populations and the likely architecture of disease / La etiología de las enfermedades comunes está formada por factores genéticos y ambientales. Se ha puesto mucho empeño en describir sus bases genéticas. Este conocimiento será útil para desarrollar nuevas terapias y la medicina personalizada. Gracias a las técnicas de genotipado masivo, centenares de estudios de asociación han descrito una infinidad de genes asociados a enfermedad. Pese a ello, la arquitectura genética de las enfermedades no ha sido totalmente descrita. Esta tesis pretende llevar a cabo exhaustivas comparaciones entre poblaciones para responder diversas preguntas candentes. Nuestros resultados dan pistas sobre la frecuencia de los alelos de riesgo, su presencia entre poblaciones y la probable arquitectura de las enfermedades.

Computational Insights into Intergenic Regions and Overlapping Genes among Prokaryote GenomesTot i la gran varietat d'estils de vida de les espècies bacterianes, tots ells presenten trets arquitectònics comuns. En aquesta tesi s'estudia les regions intergèniques i els solapaments entre gens en els genomes procariotes.Hem vist que per predir els orígens de replicació, a part de l'anàlisi de la composició de nucleòtids del DNA, es requereix experiments computacionals complementaris per aconseguir millors prediccions. Els solapaments entre gens acostumen a ser curts, respecten el codi genètic i es veuen influenciats per la pressió selectiva en contra de grans solapaments. En canvi, com més llarg és un solapament entre dos gens, més risc hi ha que una mutació pugui afectar a dues proteïnes de la cèl·lula al mateix temps. Hem detectat que els solapaments més llargs de 60 parells de bases són deguts a errors en la seqüenciació o en l'anotació dels gens. En quant a les regions intergèniques, hem vist que la presència d'una seqüència reguladora entre gens, com és la Shine-Dalgarno (responsable de iniciar eficientment la traducció de RNA missatger a proteïna) pot influir en la mida d'aquestes regions i afectar l'ús de codons d'aturada. Finalment, hem construït una aplicació web ( http://genomes.urv.cat/pwneigh/ ) que permet estudiar fàcilment la conservació els solapaments en les espècies i les regions intergèniques en els genomes procariotes. / Computational Insights into Intergenic Regions and Overlapping Genes among Prokaryote GenomesAlthough prokaryote organisms live in a huge variety of habitats, they have architectural features in common. In this thesis we analyze the intergenic regions and the overlaps between genes among the prokaryote genomes.Although the DNA compositional analysis brings us near to the origin of replication, alternative analyses are required in order to achieve better predictions. The overlaps between prokaryote genes tend to be short and they arise according to the structure of the genetic code. Furthermore, there is a selective pressure against the long ones. As longer is an overlap there is more risk of a deleterious mutation that can affect two proteins of the cell. We detected that the overlaps longer than 60 bps are due to sequencing or annotation errors. Regarding the intergenic regions we found that the presence of a regulatory signal such as the Shine-Dalgarno sequence (responsible of an efficient translation of the mRNA to protein) can influence the length of this regions and the stop codon usage of the previous genes. Finally, we developed the PairWise Neighbours database ( http://genomes.urv.cat/pwneigh/ ) which permits the study of the overlaps and its conservation across the species, as well as the SD presence within the intergenic regions.Albert Pallejà CaroDepartament de Bioquímica i BiotecnologiaUniversitat Rovira i VirgiliCampus Sesceladesc/Marcel·lí Domingo, s/n43007 Tarragona - Catalunya

Estudios recientes han permitido estimar que aproximadamente un 5% del genoma consiste en duplicaciones segmentarias (DS), secuencias de entre 1-100 kb con un nivel de similitud de más del 95% (Eichler, 2001). Las regiones flanqueadas por duplicaciones segmentarias son susceptibles de sufrir reordenamientos mediante recombinación homóloga no alélica y se ha hipotetizado que estas regiones representan puntos calientes de inestabilidad genómica propensos a variación en número de copia (CNVs). Esta variación estructural (deleciones, duplicaciones e inversiones) representa una fuerza mutacional infravalorada en la contribución a las enfermedades genéticas, y en particular en los loci susceptibles a retraso mental. La aparición de nuevas tecnologías como los arrays de CGH o el MLPA permiten el análisis de alta resolución para la identificación de alteraciones genéticas y variaciones en número de copia a nivel de todo el genoma. La aplicación de estas tecnologías ha permitido, recientemente, establecer la implicación de microdeleciones y microduplicaciones en diversas enfermedades genéticas, como por ejemplo el retraso mental (RM). Las técnicas convencionales (cariotipo, FISH, CGH o PCR) de las que disponemos actualmente para el estudio de enfermedades genéticas como el retraso mental no son los suficientemente sensibles para la detección de reordenamientos submicroscópicos. Disponiendo de la tecnología y el material adecuado, es posible la caracterización molecular nuevas variantes geonómicas en retraso mental. Debido a la gran cantidad de casos de RM en los que se desconoce su etiología, el objetivo principal de esta tesis ha sido la caracterización de variantes genómicas responsables de RM aplicando nuevas tecnologías: aCGH del cromosoma X y MLPA. El MLPA se basa en la detección simultánea del número de copias de una secuencia específica mediante la hibridación genómica del DNA con una mezcla de sondas específicas. La cantidad relativa del producto amplificado se correlaciona con el número de copias de la secuencia diana de esa sonda. Por otro lado, los arrays de CGH permiten detectar reordenamientos cromosómicos desequilibrados de <1 Mb. Con el uso de clones genómicos distribuidos de forma que cubran la totalidad del cromosoma X se puede generar un array específico que permitirá obtener un cariotipo molecular de este cromosoma a nivel de 100kb, lo que permitirá detectar microdeleciones, microduplicaciones e inversiones del cromosoma X. Esta parte del proyecto que incluye tanto el diseño, la construcción y validación del array como la hibridación de las muestras se realiza de forma coordinada con el Centro de Regulación de Barcelona (CRG).Para este estudio se seleccionaron pacientes procedentes de familias con herencia compatible con un RM ligado al cromosoma X. Estas familias procedían del Departamento de Bioquímica y Genética Molecular del Hospital Clínico de Barcelona y del grupo GIRMOGEN (Grupo Investigación Retraso Mental de Origen Genético). A todos ellos se les había realizado previamente un cariotipo, se había descartado la expansión del triplete CGG el gen FMR1, responsable del Síndrome del X frágil y no se habían detectado reordenamientos subteloméricos. Gracias a la aplicación de estas tecnologías hemos identificado y caracterización de nuevas variantes genómicas implicadas en RM (11,5%). La detección de reordenamientos cripticos en pacientes afectos de estas enfermedades nos ha permitido establecer una correlación genotipo/fentipo e identificar nuevos genes y mecanismos implicados en el desarrollo del RM. / "CARACTERIZATION OF GENOMIC VARIANTS. APLICATION OF NEW TECHONOLOGIES TO THE STUDY OF MENTAL RETARDATION" TEXT:Mental Retardation (RM) is a common disorder affecting 1-3% of general population. X-linked MR represents and important group inside MR. Nowadays OMIM lists 359 entries about XLMR although only 44 X-linked genes are known to cause XLMR (syndromic and non-syndromic). On the other hand, subtelomeric rearrangements comprise 5-7% of MR with unknown genetic origin. There are few reports about submicroscopic rearrangements that affect X chromosome due to the difficulties that implicate these studies. CGHarray (array-based comparative genomic hibridization) measures submicroscopic DNA copy number changes and allows the simultaneous high-resolution mapping of these changes onto the genome sequence. With the construction and application of a specific CGH microarray, it will be possible to characterize different molecular variants inside this chromosome in those cases of MRLX without molecular diagnosis. On the other hand, MLPA is based in the simultaneous detection of the number of copies of a specific sequence through hybridization of genomic DNA with a mixture of specific probes. The main objective of the present project is to identify submicroscopic duplications and deletions affecting chromosome X in patients with non-syndromic. For this study we selected patients from families with an inheritance consistent with an XLMR. These families came from the Department of Biochemistry and Molecular Genetics at the Hospital Clinical of Barcelona and the GIRMOGEN group (Research Group for Mental Retardation of Genetic Origin). The application of new techonolgies such as MLPA o aCGH has led to the identification of new rearrangements in the X chromosome responsible for MR (11,5%). The detection of cryptic rearrangements in MR patients has enabled us to establish a gentype/phenotype correlation and to identify new genes and mechanisms involved in the development of MR.

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

Tesis por compendio / [EN] The reduction of agricultural biodiversity is a serious problem for our agriculture. Increasingly fewer species are cultivated, and these are also increasingly homogeneous. The introduction of new crops for the horticultural diversification is one of the activities that can be implemented to minimize the impact of this variability loss. In this regard, pepino (Solanum muricatum) is a crop that may be of interest to our horticulture and neighboring markets. It is a species of Andean origin, usually propagated vegetatively, and that can be grown in the Mediterranean area. The pepino is used for its juicy, sweet and aromatic fruits, which in addition presents significant amounts of beneficial compounds for health. The COMAV genebank has a collection of pepino and wild relatives accessions. At present, morphological descriptors are available for proper characterization of these materials, but it was necessary to develop phenological descriptors as the ones presented in this work. In particular, the BBCH scale developed in this thesis is a key that allow us to describe and define the various stages of phenological development in the species, displaying numerous applications. On the other hand, a correct characterization of the accessions preserved in the genebank was necessary. For this reason, and in addition to carrying out a morphological characterization, a molecular characterization using SSR markers derived from tomato was performed. In this case, the benefit of the genetic proximity between the two species allowed us to transfer the tomato markers (widely studied species) to pepino, allowing us to differentiate morphologically and molecularly the wild species from the cultivated one, and within the latter, differentiate modern and traditional types. A limitation in the study of the genetics of pepino was the small number of DNA sequences available in the databases. For this reason, we sequenced the transcriptome of a variety of pepino (Sweet Long) as well as the species that is considered the wild ancestor of the pepino, S. caripense. The sequencing and subsequent assembly of the transcriptome has allowed an initial comparative analysis between pepino and its closely related species, tomato and potato, a phylogenetic study of cultivated Solanaceae, a comparative analysis of some genes of agronomic interest, and the massive development of molecular markers. Because of the potential nutraceutical properties of the pepino fruit, we decided to perform a characterization using the previously studied collection. We have evaluated the dry matter, protein, antioxidants, pigments and minerals contents. On the other hand, considering that polyphenols are one of the most important antioxidant compounds, we conducted a study trying to elucidate the profile of polyphenols and their antioxidant activity in four pepino and one S. caripense entries. We also measured the effect of the pepino extracts on macrophage cells subjected to oxidative stress. The results obtained revealed a significant reduction in nitric oxide production, which indicates the existence of an anti-inflammatory effect. These beneficial properties of pepino are its main strength and, together with a high organoleptic quality and good promotion can encourage the introduction and development of this crop. In summary, in this thesis we have obtained relevant information about the diversity of pepino and we have studied its phenological, morphological, molecular, genomic, nutritional and nutraceutical characteristics. / [ES] La reducción en la diversidad agrícola es un problema grave en nuestra agricultura. Cada vez se cultiva un menor número de especies distintas, y estas además son cada vez más homogéneas. Una de las actividades que se pueden llevar a cabo para minimizar el impacto de esta pérdida de variabilidad es la introducción de nuevos cultivos para la diversificación hortícola. En este sentido, el pepino dulce (Solanum muricatum) es un cultivo que puede tener interés para nuestra horticultura y para los mercados vecinos. Se trata de una especie de origen andino que normalmente se propaga vegetativamente, y que se puede cultivar en el área mediterránea. El pepino dulce se aprovecha por sus frutos jugosos, dulces y muy aromáticos, además de ello presenta cantidades relevantes de compuestos beneficiosos para la salud. El banco de germoplasma del COMAV conserva una colección de entradas de pepino dulce y de especies silvestres relacionadas. En la actualidad se disponen de descriptores morfológicos para la correcta caracterización de estos materiales, pero se hacía necesario disponer descriptores fenológicos como los desarrollados en este trabajo. En particular, la escala BBCH desarrollada es una clave que permite describir y delimitar los distintos estadios de desarrollo fenológico en la especie, presentando numerosas aplicaciones. Por otro lado era necesaria una correcta caracterización de estas entradas conservadas en el banco de germoplasma, para ello y como complemento a la realización de una caracterización morfológica, se llevó a cabo una caracterización molecular empleando marcadores SSR derivados de tomate. En este caso, se sacó beneficio de la proximidad genética entre ambas especies para transferir los marcadores de tomate (especie ampliamente estudiada) a pepino dulce, permitiendo diferenciar tanto morfológicamente, como molecularmente las especies silvestres de la cultivada, y dentro de esta los tipos modernos de los tradicionales. Una limitación en el estudio de la genética del pepino dulce era el número reducido de secuencias de ADN disponibles en las bases de datos, razón por la cual se proyectó la secuenciación del transcriptoma de una variedad de pepino dulce (Sweet Long) y de una entrada de la especie que se considera el ancestro silvestre del pepino dulce S. caripense. Esta secuenciación y posterior ensamblaje del transcriptoma ha permitido realizar un estudio inicial donde se ha realizado un análisis comparativo entre pepino dulce y sus especies cercanas tomate y patata, un estudio filogenético entre Solanáceas cultivadas, un análisis comparativo de algunos genes de interés agronómico, así como el desarrollo masivo de marcadores moleculares. Debido a las potenciales propiedades nutracéuticas de los frutos de pepino dulce, se decidió realizar una caracterización de la misma en la colección de entradas estudiada anteriormente. Por un lado se ha evaluado el contenido en materia seca, proteínas, antioxidantes, pigmentos y minerales; por otro lado, teniendo en cuenta que los polifenoles son unos de los compuestos con mayor poder antioxidante, se llevó a cabo un estudio que pretendió dilucidar el perfil de polifenoles en cuatro entradas de pepino dulce y una entrada de S. caripense, así como su poder antioxidante. Como complemento a esto último se evaluó el efecto de extractos de pepino dulce sobre células de macrófagos sometidas a estrés oxidativo, observándose una reducción significativa en la producción de óxido nítrico, lo cual indica la existencia de un efecto antiinflamatorio. Estas propiedades beneficiosas del pepino dulce son su mayor virtud, y junto con una elevada calidad organoléptica y una buena promoción, pueden favorecer la introducción y desarrollo de este cultivo. En definitiva, esta tesis supone la obtención de información relevante sobre la diversidad del pepino dulce, además de un estudio en distintos aspectos, como el fenológico, morfol / [CA] La reducció en la diversitat agrícola és un problema greu en la nostra agricultura. Cada vegada es cultiva un menor nombre d'espècies diferents, i aquestes a més són cada vegada més homogènies. Una de les activitats que es poden dur a terme per a minimitzar l'impacte d'aquesta pèrdua de variabilitat és la introducció de nous cultius per a diversificació hortícola. En aquest sentit, el cogombre dolç (Solanum muricatum) és un cultiu que pot tenir interès per a la nostra horticultura i per als mercats veïns. Es tracta d'una espècie d'origen andí que normalment es propaga vegetativament, i que es pot cultivar en l'àrea mediterrània. El cogombre dolç s'aprofita pels seus fruits sucosos, dolços i molt aromàtics, a més d'això presenta quantitats rellevants de compostos beneficiosos per a la salut. El banc de germoplasma del COMAV conserva una col·lecció d'entrades de cogombre dolç i d'espècies silvestres relacionades. En l'actualitat es disposen de descriptors morfològics per a la correcta caracterització d'aquests materials, però es feia necessari disposar descriptors fenològics com els desenvolupats en aquest treball. En particular, l'escala BBCH desenvolupada és una clau que permet descriure i delimitar els diferents estadis de desenvolupament fenològic en l'espècie, presentant nombroses aplicacions. D'altra banda era necessària una correcta caracterització d'aquestes entrades conservades en el banc de germoplasma, per a això i com a complement a la realització d'una caracterització morfològica es va dur a terme una caracterització molecular emprant marcadors SSR derivats de tomaca. En aquest cas, es va traure benefici de la proximitat genètica entre ambdues espècies per a transferir els marcadors de tomaca (espècie àmpliament estudiada) a cogombre dolç, permetent diferenciar tant morfològicament, com molecularment les espècies silvestres de la cultivada, i dins d'aquesta els tipus moderns dels tradicionals. Una limitació en l'estudi de la genètica del cogombre dolç era el nombre reduït de seqüències d'ADN disponibles en les bases de dades, raó per la qual es va projectar la seqüenciació del transcriptoma d'una varietat de cogombre dolç (Sweet Long) i d'una entrada de l'espècie que es considera l'ancestre silvestre del cogombre dolç, S. caripense. Aquesta seqüenciació i posterior assemblatge del transcriptoma ha permès realitzar un estudi inicial on s'ha realitzat una anàlisi comparativa entre cogombre dolç i les seues espècies properes tomaca i creïlla, un estudi filogenètic entre solanàcies cultivades, una anàlisi comparativa d'alguns gens d'interès agronòmic, així com el desenvolupament massiu de marcadors moleculars. A causa de les potencials propietats nutracèutiques dels fruits de cogombre dolç, es va decidir realitzar una caracterització de la mateixa en la col·lecció d'entrades estudiada anteriorment. D'una banda s'ha avaluat el contingut en matèria seca, proteïnes, antioxidants, pigments i minerals; d'altra banda, tenint en compte que els polifenols són uns dels compostos amb major poder antioxidant, es va dur a terme un estudi que va pretendre dilucidar el perfil de polifenols en quatre entrades de cogombre dolç i una entrada de S. caripense, així com el seu poder antioxidant. Com a complement a això últim es va avaluar l'efecte d'extractes de cogombre dolç sobre cèl·lules de macròfags sotmeses a estrès oxidatiu, observant-se una reducció significativa en la producció d'òxid nítric, la qual cosa indica l'existència d'un efecte antiinflamatori. Aquestes propietats beneficioses del cogombre dolç són la seua major virtut, i juntament amb una elevada qualitat organolèptica i una bona promoció, poden afavorir la introducció i desenvolupament d'aquest cultiu. En definitiva, aquesta tesi suposa l'obtenció d'informació rellevant sobre la diversitat del cogombre dolç, a més d'un estudi en diferents aspectes, com el feno / Herraiz García, FJ. (2016). Desarrollo de herramientas morfológicas y genómicas para el estudio del pepino dulce (Solanum muricatum) y especies relacionadas. Caracterización de su valor nutracéutico [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61962 / Compendio

S’ha estudiat la formació de sulfur d’hidrogen (H2S) i altres compostos de sofre volàtils lleugers com els mercaptans i disulfurs per part dels llevats durant la fermentació vínica. Es proposen mètodes per mesurar i evitar el problema de l’olor desagradable del H2S i els seus derivats, des de la vinya, el most, els llevats i el vi, i respectar les aromes pròpies de cada varietat. S’han analitzat diferents factors de la producció dels compostos de sofre, la descripció dels defectes associats, la formació dels sulfurs: anàlisi, identificació i quantificació dels sulfurs en vins, s’han identificat compostos com l’etil mercaptà, sulfur de dimetil i en menor quantitat el sulfur de dietil i el sulfur de metil. S’ha estudiat el moment de la formació en mostos model, i s’ha vist una o dues fases durant la fermentació on la producció de sulfur és alta. S’han estudiat les aromes típiques de varietats locals mitjançant l’anàlisi sensorial descriptiva. En un estudi de soques de llevat, s’ha observat que la majoria (60%) produeixen alguna quantitat de sulfurs durant la fermentació i que l’elecció de la soca és un factor important. S’han provat tres tipus de reg en vinya i s’ha vist que influeix en els estils dels vins i en els compostos nitrogenats dels mostos resultants. En vinya per la prevenció de l’oïdi es van fer tractaments alternatius sense sofre, per tal d’evitar la formació de sulfurs. Per a identificar el component genètic de la producció de H2S s’han comparat els transcriptomes de dues soques amb propietats enològiquessimilars, però diferent producció de H2S: UCD 522 (alta producció) i P29 (baixa producció). Les mostres es van extreure durant fermentacions en el moment de màxima producció de H2S. Degut a què no eren soques de laboratori es van fer tres tipus d’estudi del perfil de transcripció de les dues soques de llevat: un array basat en el cADN, un array basat en oligonucleòtids i un anàlisi per qRTPCR d’una selecció de transcripts. Els resultats foren similars amb les tres tècniques. Més del 90% dels gens no van mostrar diferències entre les dues soques. En canvi, la majoria dels gens relacionats amb la biosíntesi de la tiamina van tenir una sobreexpressió a la soca amb alta producció de H2S. Per contra, gens relacionats amb el catabolisme dels aminoàcids, una possible font de H2S, no van mostrar diferències d’expressió entre les dues soques. Això suggereix que, en les condicions estudiades, el metabolisme secundari com la biosíntesi de la tiamina i altres compostos amb sofre pot ser clau per explicar la producció de H2S per algunes soques de llevat durant la fermentació. En vins amb defectes de compostos de sofre volàtil s’han tractat amb citrat de coure i s’ha vist que podia ser una alternativa al sulfat de coure que s’ha fet servir tradicionalment.

The human colonization of worldwide landmasses occurred through complex patterns of dispersal and admixture. At the same time, the survival in the different areas of the world depended on the adaptation to new habitats that imposed novel selective challenges. With the advent of high-throughput genotyping technologies and dense catalogues of human genetic variation, the demographic history of many human populations has been unraveled from genomic data, with important implications in medical genetics. However, several human groups are yet to be genetically characterized. These incomplete past histories include the determination of ancestries of the current Cuban population, as well as the origins and dispersal of European Romani, whose demographic history is aimed to be reconstructed in this work. Finally, the present study also aims to describe the genetic basis and evolution of one of the most striking human phenotypes, the African Pygmy height. / La colonización humana de las diferentes masas continentales se produjo mediante complejos patrones de dispersión y mezcla. La supervivencia en las diversas regiones del planeta ha dependido de la adaptación a las presiones selectivas impuestas por los nuevos hábitats. Con el desarrollo de tecnologías de genotipado masivo y las bases de datos de la diversidad genética humana, la historia demográfica de muchas poblaciones humanas, y sus implicaciones médicas, han sido descritas. Sin embargo, algunas poblaciones todavía no han sido caracterizadas genéticamente. Por ejemplo, tanto la descomposición de la ancestría genética de la población cubana actual como los orígenes y la dispersión de los gitanos europeos siguen siendo historias incompletas que se han reconstruido en esta tesis. Finalmente, este estudio también tiene como objetivo describir la evolución y las bases genéticas de uno de los fenotipos humanos más llamativos, la altura de los pigmeos africanos.