La comunicación celular es un proceso fundamental para la supervivencia de los organismos. Gracias a las distintas vías de comunicación, las células reciben e interpretan mensajes del exterior, los cuales inducen respuestas necesarias para el correcto funcionamiento de dichas células y del organismo que estas constituyen. Los canales iónicos activados por ligandos (LGIC) son proteínas integrales de membrana encargadas de transducir la señal proveniente del exterior hacia el interior celular. Sus vías de transducción son muy variadas, pero en general llevan a dos respuestas fundamentales según el receptor implicado, respuesta de excitación o respuesta de inhibición. Dentro del grupo LGIC existen tres familias de receptores, cada una conformada por varios miembros relacionados evolutivamente. Dichas familias se clasifican como: canales catiónicos activados por glutamato, canales activados por ATP y los receptores pertenecientes a la familia Cys-loop. En el presente trabajo de tesis doctoral estudiamos los mecanismos de activación de dos miembros de la familia de receptores Cys-loop, el receptor de acetilcolina de músculo adulto (AChR) y el receptor de serotonina homopentamérico tipo 3A (5-HT3AR). El AChR es considerado el modelo, tanto estructural como funcional, para todos los miembros de esta familia. Para un mejor entendimiento de los mecanismos que llevan al correcto funcionamiento de dichos receptores, es necesario: a) conocer su estructura molecular y los mecanismos que gobiernan su activación, y b) definir un modelo cinético que logre representar los estados en los cuales se encuentra el receptor y los pasos afectados por mutaciones o moduladores. En base a estudios de mutagénesis dirigida, determinamos el aporte de los residuos 15 de M1 de las subunidades ,  y  para el correcto funcionamiento del AChR. Además, definimos la relación entre el volumen del residuo en dicha posición y el efecto provocado sobre la eficiencia de gatillado del canal. Observamos que para la subunidad  el aumento del volumen del residuo en 15 lleva a una disminución en la constante de gatillado del canal. En cambio, para las otras subunidades, ocurre el efecto opuesto. Demostramos que los residuos 15 de M1 y 11 de M2 de la subunidad  interaccionan directamente. Dicha interacción explicaría la realción observada entre el volumen del residuo en 15 de M1 y la eficiencia del canal, donde la interacción 11-15 se vuelve más significativa al aumentar el volumen del residuo en 15, llevando a una reducción en la eficiencia del gatillado del canal. Debido a la baja conductancia del canal del 5-HT3AR, solo han sido propuestos hasta el momento modelos cinéticos basados en el análisis de corrientes macroscópicas. Utilizando el receptor de serotonina de alta conductancia (5-HT3AR-AC) obtuvimos corrientes macroscópicas y registros de canal único. En base a dichos registros, definimos un modelo cinético que describe con alto grado de exactitud los datos experimentales. Este es el primer modelo que, además de representar lo observado a nivel de corrientes macroscópicas, describe también la activación del receptor a nivel de canal único. Por otro lado, realizamos mutaciones sobre el 5-HT3AR-AC en los residuos 10 y 14 del segmento M4. Dichos residuos fueron demostrados como importantes en el gatillado del AChR y presentan un patrón de conservación particular entre las subunidades de estos dos receptores. Confirmamos que ambos residuos son importantes para el correcto funcionamiento del 5-HT3AR, donde las mutaciones en 10 afectaron la activación del receptor a nivel de canal único y las mutaciones en 14 solo mostraron efectos a nivel de las corrientes macroscópicas. Utilizando los datos obtenidos a partir del receptor mutado en 10 de M4, realizamos el análisis cinético en base al esquema propuesto. Determinamos que las velocidades afectadas fueron fundamentalmente de apertura y cierre del canal, similar a lo demostrado para el residuo equivalente del AChR. Nuestros resultados brindan importante información sobre la intervención de los segmentos transmembranales en el correcto funcionamiento de receptores de la familia Cys-loop. Asimismo, muestran cómo la función de determinados aminoácidos se ha conservado durante la evolución. Además, definimos el primer modelo cinético para el 5-HT3AR, el cual representa correctamente la activación de este receptor, tanto a nivel de corrientes macroscópicas como de canal único. La utilización de este modelo será de gran apoyo al entendimiento de los efectos generados por mutaciones o la acción de moduladores de la funcionalidad de dicho receptor. / Cellular communication is a fundamental process for survival of the organisms. Thanks to different signaling pathways, cells can receive messages from the environment which induce responses that allow appropriate functioning of these cells and the organism that they constitute. Ligand-gated ion channels (LGIC) are integral membrane proteins involve in transduction of signals from the external side of the cell. These signaling pathways are diverse, but in general, they can generate one of both responses: excitatory or inhibitory response. The LGIC group is composed by three different families of receptors: the glutamate-activated cationic channels, the ATP-gated channels, and the Cys-loop receptors. In the present thesis we studied the mechanism of activation of two members of the Cys-loop receptor family, the nicotinic acetylcholine receptor (AChR) and the homopentameric serotonin type 3A receptor (5-HT3AR). The AChR has been the structural and functional model of all members of this family. For a better understanding of the mechanisms that lead to the correct functioning of these receptors is necessary to: a) know its molecular structure and the mechanisms which govern its activation, and b) define a kinetic model that describes its activation and elucidate how mutations or modulators can affect the transitions between different conformational states. By combining site-directed mutagenesis with electrophysiological studies we determine the contribution of residues at position 15 of M1 in ,  and  subunits to the correct functioning of the AChR. We also define the relationship between the volume of the residue at this position and efficacy for channel gating. We show that the increase in the volume of residue at 15 of M1 of the  subunit impairs channel gating, whereas the opposite effect is observed for the same position in  and  subunits. Furthermore, we demonstrate that there is a direct interaction between residues at 15 of M1 and 11 of M2 of the  subunit. This explains the relationship between the volume of the residue at 15 of M1 and the efficiency of channel: the increase in the volume of the residue at 15 of M1 may restrict the movement of M2 through its interaction with the residue at 11 of M2, thus leading to a reduction in channel gating efficiency. Due to the low conductance of the 5-HT3AR, different kinetics models proposed until now have been based on macroscopic currents. Using the high conductance form of this receptor (5-HT3AR-HC) we recorded macroscopic currents and single-channel events. On the basis of these recordings we defined a kinetic model that closely describes the experimental data. In addition, we introduced mutations at positions 10 and 14 of the M4 transmembrane segment of the 5-HT3AR-HC. Residues at these positions have been shown to be important for the correct functioning of the AChR, and they show a particular conservation pattern among 5-HT3R and AChR subunits. We demonstrate that these residues are important for the appropriate functioning of the 5-HT3AR. Mutations at 10 of M4 affect the single-channel properties, and mutations at 14 of M4 affect the decay rate of macroscopic currents and the potency for activation. With the single-channel data obtained for 5-HT3AR-HC mutated at 10 of M4, we performed kinetic analysis on the basis of the scheme proposed in this thesis. The analysis reveals that mutations at 10 affect mainly opening and closing rates from the slowest open state. This result is similar to that previously reported for AChR, indicating that the function of this position is conserved among members of the same family. Our results provide important information about the involvement of transmembrane segments in the correct functioning of receptors from the Cys-loop superfamily. These results reveal how the function of some amino acids has been conserved along evolution. In conclusion, we defined the first kinetic model for the 5-HT3AR, which perfectly represents the activation of this receptor at both macroscopic and single-channel level. Moreover, our kinetic model provides a foundation for studying the contribution of residues to receptor function and for understanding molecular mechanisms of drug modulation.

Caenorhabditis elegans es un nematodo de vida libre utilizado como organismo modelo en diferentes disciplinas de la ciencia. Su tamaño reducido, plan corporal anatómicamente simple, ciclo de vida corto y amplio repertorio de comportamientos, lo han transformado en un organismo muy útil en investigación. Además, emerge como un modelo de interés en la industria farmacéutica para realizar ensayos in vivo rápidos y económicos, y para la detección de compuestos con actividad biológica. C. elegans comparte características fisiológicas y farmacológicas con nematodos parásitos y además es sensible a la mayoría de las drogas antiparasitarias que se utilizan en el hombre y en los animales. Dado que es difícil trabajar con nematodos parásitos en el laboratorio, C. elegans ha emergido como un excelente modelo de nematodo parásito y ha contribuido al conocimiento de los mecanismos de acción de diversos fármacos. C. elegans cuenta con la mayor familia de receptores Cys-loop. En sus músculos, posee tres receptores Cys-loop principales: dos receptores nicotínicos (nAChRs), el L-AChR y el N-AChR, y el receptor de GABA, UNC-49. Los nAChRs median la contracción de los músculos de la pared del cuerpo mientras que los receptores de GABA median la relajación muscular, permitiendo el movimiento sinusoidal típico del nematodo. Estos receptores son los blancos moleculares de drogas antihelmínticas. El levamisol, actuando como agonista del L-AChR, genera contracción sostenida de los músculos y finalmente la parálisis espástica del nematodo. La piperazina, actuando como agonista de los receptores de GABA, genera relajación muscular y parálisis flácida. Otros receptores Cys-loop presentes en el nematodo también son blancos de fármacos antihelmínticos. El receptor de glutamato permeable a cloruro (GluCl) presente en neuronas y células musculares es el blanco molecular de la ivermectina (IVM), uno de los antiparasitarios más utilizados a nivel mundial. En cuanto a los receptores Cys-loop, C. elegans no es más diferente a los nematodos parásitos de lo que cada especie individual de parásito lo es de otra. Esto se evidencia en la amplia diversidad de subunidades que generan receptores Cys-loop con diferente composición y propiedades farmacológicas en los nematodos y cuyas bases moleculares no se comprenden completamente. En esta Tesis se utilizó a C. elegans como modelo de nematodo parásito. Se estudiaron las propiedades antihelmínticas y los blancos de acción de diferentes compuestos químicos a través de ensayos de comportamiento. Para determinar sus mecanismos de acción se realizaron registros electrofisiológicos de corrientes unitarias y macroscópicas sobre receptores presentes en células musculares de C. elegans o expresados heterologamente en células de mamífero. En el Capítulo 1 se estudió el befenio, un antihelmíntico colinérgico cuyo modo de acción no se conocía completamente. Mediante ensayos de comportamiento se determinó que befenio genera parálisis espástica en nematodos salvajes adultos jóvenes. Utilizando cepas mutantes se determinó que el L-AChR es el blanco molecular involucrado en la actividad paralizante de befenio. Estos resultados sugieren que no existiría un receptor específico para befenio en los músculos de C. elegans. Cuando befenio fue combinado con levamisol el efecto paralizante fue aditivo. Esto es de importancia ya que la combinación de drogas es una buena estrategia para reducir la resistencia en nematodos parásitos. A nivel molecular, mediante registros de canal único, se determinó que befenio activa el L-AChR de C. elegans tanto en larvas L1 como L2, y a mayores concentraciones, actúa como un bloqueador de canal abierto de dicho receptor. Los estudios de docking molecular mostraron que befenio se une al sitio de unión ortostérico del agonista y forma las interacciones cation-π requeridas para la activación del receptor. Estos resultados podrían explicar la alta eficacia para activar el L-AChR. La selectividad de befenio por el nAChR muscular de mamífero fue estudiada mediante registros de canal único y de corrientes macroscópicas. Se determinó que befenio activa el nAChR pero actúa como un agonista muy débil y un bloqueador de canal potente. Según estudios de docking molecular, befenio generaría las interacciones necesarias para la activación solamente en uno de los dos sitios ortostéricos del receptor. Esto explicaría su baja eficacia en receptores de mamífero con respecto a los receptores de nematodos. Cepas mutantes de C. elegans que carecen de la subunidad LEV-8 podrían contener LAChRs formados por la subunidad ACR-8 en su reemplazo. Estos L-AChRs imitan un receptor de nematodo parásito, como el receptor de H. contortus, cuya subunidad ACR-8 podría mediar la actividad de befenio. Mediante ensayos de comportamiento con la cepa mutante se determinó que la subunidad ACR-8 no es requerida para el efecto paralizante de befenio en C. elegans. A nivel de canal único, los receptores que carecen de la subunidad LEV-8 también fueron activados por befenio y dicha droga, al igual que ACh, indujo una rápida desensibilización del receptor. En el Capítulo 2 se estudiaron tres terpenoides, carvacrol, timol y eugenol, presentes en plantas. Mediante ensayos de comportamiento utilizando nematodos salvajes, se determinó que los terpenoides paralizan rápidamente a C. elegans. El orden de potencia de parálisis fue: carvacrol>timol>eugenol. Las larvas fueron más sensibles que los nematodos adultos jóvenes. Además, los compuestos inhibieron irreversiblemente la eclosión de los huevos con el mismo orden de potencia. Estos hallazgos indican que los terpenoides producen efectos antihelmínticos a corto y largo plazo. Se evaluaron tres combinaciones de drogas: timol/levamisol, timol/piperazina y timol/ivermectina. El efecto paralizante de la combinación timol/levamisol fue sinérgico y dicha combinación también fue efectiva en la inhibición de la eclosión de huevos. Mediante ensayos de comportamiento con nematodos mutantes se determinó que los L-AChRs y los receptores de GABA son los blancos moleculares de los terpenoides. Los registros de corrientes macroscópicas revelaron que los compuestos no son capaces de activar los receptores, pero inhiben las corrientes evocadas por los agonistas. En registros de canal único, los terpenoides disminuyeron la actividad de L-AChRs generada por ACh y levamisol, redujeron la frecuencia de aperturas del L-AChR e indujeron un componente de estado cerrado más prolongado. Sin embargo, no afectaron las propiedades del canal como la conductancia y la duración de apertura. El análisis global indicó que los terpenoides ejercen su efecto antihelmíntico actuando como antagonistas no competitivos del L-AChR. En el Capítulo 3 se estudió la doxepinona, considerada una estructura química privilegiada. Mediante ensayos de comportamiento se demostró que la doxepinona ejerce su acción paralizante sobre nematodos salvajes adultos jóvenes actuando a través el GluCl, el blanco molecular de la IVM. Este compuesto sintético generó parálisis estacionaria en nematodos salvajes. La IVM actúa sobre GluCls presentes en la faringe del nematodo e inhibe el bombeo faríngeo. Doxepinona también redujo la velocidad de bombeo faríngeo en nematodos salvajes y el efecto fue mediado por los GluCls. Mediante registros de corrientes macroscópicas se caracterizaron las corrientes del receptor heteromérico GluCl α 1/GluClß de C. elegans evocadas por el agonista glutamato. Se determinó que la doxepinona no es un agonista de dicho receptor ya que no es capaz de activarlo. Mediante diferentes protocolos de aplicación de drogas, se determinó que la doxepinona actúa como un inhibidor alostérico de los GluCls. Se propuso a la inhibición del GluCl como un nuevo mecanismo antihelmíntico. En resumen, en esta Tesis Doctoral, utilizando a C. elegans como modelo de nematodo parásito, se identificaron los sitios y se descifraron los mecanismos de acción molecular de diferentes compuestos químicos, con actividad antihelmíntica. / Caenorhabditis elegans is a free-living nematode used as a model organism in different science disciplines. Its reduced size, anatomically simple body plan, short life cycle and broad repertoire of behaviours have turned it in a useful organism for research. It also emerges as an interesting model in the pharmaceutical industry for fast and cheap in vivo assays and for the detection of compounds with biological activity. C. elegans shares pharmacological and physiological characteristics with parasitic nematodes and is sensitive to most antiparasitic drugs used in humans and animals. Given that parasitic nematodes are difficult to work with in the laboratory, C. elegans has emerged as an excellent parasitic model and has contributed to the understanding of mechanisms of action of anthelmintic drugs. C. elegans has the largest Cys-loop receptor family. In its muscle, it has three main Cysloop receptors: two nicotinic receptors (nAChRs), L-AChR and N-AChR, and the UNC-49 GABA receptor. nAChRs mediate body wall muscle contraction while GABA receptors mediate muscle relaxation, thus allowing the typical sinusoidal movement of the nematode. These receptors are the molecular targets of anthelmintic drugs. Levamisole, acting as an L-AChR agonist, generates sustained muscle contraction which ends in spastic paralysis of the nematode. Piperazine, by acting as an agonist of GABA receptors, generates muscle relaxation and flaccid paralysis. Other Cys-loop receptors in the nematode are also targets of anthelmintic drugs. The glutamate-activated chloride channel (GluCl) present in neurons and muscle cells is the molecular target of ivermectin (IVM), which is one of the most used antiparasitic drug worldwide. Considering Cys-loop receptors, C. elegans is no more dissimilar to parasitic nematodes than each individual species of parasite is to another. This results from the wide subunit diversity that generates Cys-loop receptors with different compositions and pharmacological properties among nematodes; the molecular basis of this diversity remains not fully understood. In this Thesis, C. elegans was used as parasitic nematode model. The anthelmintic properties and molecular targets of different chemical compounds were studied through behavioural assays. To determine their mechanisms of action, electrophysiological recordings, single-channel and macroscopic current recordings, were carried out in C. elegans muscle cells or in mammalian cells heterologously expressing the receptor under study. In Chapter 1 bephenium was studied. It is a cholinergic anthelmintic drug whose mechanism of action was not fully understood. Through behavioural assays it was determined that bephenium generates spastic paralysis in young adult wild-type worms. By using different mutant strains, it was determined that L-AChR is the molecular target involved in the paralyzing activity of bephenium. The results suggested that there may not be a specific receptor for bephenium in C. elegans muscle. When bephenium was combined with levamisole, the paralyzing effects were additive; which is of significance since drug combination is a good strategy to reduce resistance in parasitic nematodes. At the molecular level, through single channel recordings, it was determined that bephenium activates L-AChR in larvae L1 and L2 C. elegans. At higher concentrations, it acted as an L-AChR open channel blocker. Molecular docking studies showed that bephenium binds to the orthostetic agonist binding site and forms the cation-π interactions required for receptor activation. This result may explain the high efficacy for L-AChR activation. Bephenium selectivity for the mammalian muscle nAChR was studied through singlechannel and macroscopic current recordings. Bephenium activated nAChRs, but it acted as a very weak agonist and a potent channel blocker. According to the molecular docking studies, bephenium would generate the necessary interactions for activation only in one of the two orthosteric sites of the receptor. This may explain the low efficacy in the mammalian receptor with respect to nematode receptors. C. elegans mutant strains that lack LEV-8 subunit may have L-AChRs containing the spare ACR-8 subunit in its replacement. These L-AChRs may mimic those in certain nematode parasites, like the H. contortus receptor, for which it was suggested that its ACR-8 subunit may mediate bephenium activity. Through behavioural assays in the mutant strain, it was determined that the ACR-8 subunit is not required for the paralyzing effects of bephenium on C. elegans. At the single channel level, the receptors that lack LEV-8 subunit were similarly activated by bephenium. Bephenium, like ACh, induced fast receptor desensitization. In the Chapter 2 terpenoids present in plants (carvacrol, thymol and eugenol) were studied. Through behavioural assays in wild-type nematodes, it was determined that terpenoids produced fast paralysis of the worms. The paralyzing potency order was: carvacrol > thymol > eugenol. The larvae were more sensitive than young adults. Also, the compounds irreversibly inhibited egg hatching with the same potency order. These findings indicate that terpenoids generate short- and long-term anthelmintic effects. Three drug combinations were evaluated: thymol/levamisole, thymol/piperazine and thymol/ivermectin. The paralyzing effect of thymol/levamisole combination was synergic, and this combination was effective in the inhibition of egg hatching too. Through behavioural assays in mutant nematodes, it was determined that L-AChRs and GABA receptors are the molecular targets of the terpenoids. The macroscopic current recordings revealed that the compounds could not activate the receptors but inhibited the currents evoked by the agonists. In single channel recordings, terpenoids reduced L-AChR activity generated by ACh and levamisole, reduced the frequency of L-AChR openings and induced a longer closed state component. However, terpenoids did not affect channel properties, such as conductance and open duration. The global analysis indicated that, terpenoids exert their anthelmintic effect, acting as L-AChR non-competitive antagonists. In the Chapter 3, doxepinone was studied. Doxepinone is considered a privileged chemical structure. Through behavioural assays, it was demonstrated that doxepinone exert the paralyzing action in wild-type young adult worms acting through GluCls, which are the molecular targets of IVM. The synthetic compound generated stationary paralysis on wild-type worms. IVM acts on nematode pharyngeal GluCls and inhibits pharyngeal pumping. Doxepinone also reduced the pharyngeal pumping rate in wild-type worms and the effect was mediated by GluCls. Through macroscopic current recordings, the responses of GluCl α1/GluClß receptors of C. elegans evoked by the agonist glutamate were characterized. It was determined that doxepinone is not a GluCl agonist because it is not capable of activating the receptor. Through different drug application protocols, it was determined that doxepinone acts as an allosteric inhibitor of GluCls. The inhibition of GluCls was proposed as a new anthelmintic mechanism. In summary, in this Doctoral Thesis, using C. elegans as a model of parasitic nematode, the target sites and mechanisms of action of different chemical compounds with anthelmintic activity were deciphered.

El sistema nervioso consiste en una red muy compleja de billones de neuronas que se comunican entre sí. Las sinapsis químicas son primordiales para la comunicación neuronal rápida y eficiente, y están mediadas por la liberación de neurotransmisores a la hendidura sináptica para unirse a sus receptores específicos ubicados en otras células o neuronas postsinápticas. Entre los receptores de neurotransmisores se encuentran los receptores Cys-loop, que pertenecen a la superfamilia de canales pentaméricos activados por ligando (pLGIC). Son proteínas integrales de membrana que convierten la señal química en una respuesta eléctrica al permitir el paso de iones de un lado a otro de la membrana. Estos receptores se constituyen por 3 regiones fundamentales, el dominio extracelular, donde se encuentra el sitio de unión del neurotransmisor o sitio ortostérico; el dominio transmembrana, que conforma el poro del canal y contiene los sitios de unión para diferentes moduladores alostéricos; y el dominio intracelular que posee sitios de modulación y aminoácidos determinantes de la conductancia del canal. En vertebrados, esta familia de receptores está formada por los receptores nicotínicos de acetilcolina y el receptor de serotonina tipo 3 (5-HT3), los cuales son permeables a cationes, y por los receptores de ácido γ-aminobutírico tipo A (GABAA) y receptores de glicina, permeables a aniones. El repertorio de receptores Cys-loop en invertebrados es más variado y extenso, incluyendo entre ellos un canal aniónico activado por serotonina, denominado MOD-1. Los receptores Cys-loop son ampliamente estudiados por ser blancos moleculares terapéuticos en una extensa variedad de patologías. Es por ello por lo que ampliar el conocimiento de la función y modulación de estos receptores permitirá generar mejores estrategias farmacológicas. En esta Tesis Doctoral se realizaron estudios de la función y modulación de los receptores Cys-loop activados por serotonina humano, 5-HT3, y de Caenorhabditis elegans, MOD-1, para la búsqueda de nuevos fármacos y la generación de estrategias de reposicionamiento de medicamentos de uso clínico. En el Capítulo 1 se estudió la funcionalidad molecular del receptor 5-HT3A humano. Se logró descifrar las diferencias entre la activación ortostérica y la activación y modulación alostérica por terpenoides, utilizando la valiosa técnica de patch-clamp. Se definieron las bases mecanísticas de la activación de 5-HT3A por los agonistas ortostéricos serotonina y triptamina, y de la activación alostérica por los terpenoides timol y carvacrol. Se demostró que triptamina es un agonista de muy baja eficacia y potencia. Mediante registros de whole-cell, se demostró que los terpenoides potencian las corrientes evocadas por serotonina, pero también poseen capacidad para evocar alostéricamente respuestas macroscópicas, con mayor potencia y eficacia que triptamina, aunque de forma más lenta que serotonina. Mediante registros de canal único, se evidenció que dichos compuestos activan al receptor 5-HT3 como agonistas muy eficaces dado que generan episodios de activación más prolongados que serotonina. Nuestro estudio mostró la primera caracterización a nivel de canal único de la activación de 5-HT3A humano por ligandos alostéricos, de creciente interés como herramientas terapéuticas. En el Capítulo 2 se halló un nuevo blanco promisorio para la terapia antihelmíntica, estudiando ampliamente al receptor MOD-1 de C. elegans. Este nematodo es un buen modelo parasitario ya que comparte las características funcionales y farmacológicas con los nematodos parasitarios. Además C. elegans es sensible a la mayoría de los fármacos antiparasitarios que están dirigidos a los receptores Cys-loop de los parásitos. Dado que MOD-1 está ausente en vertebrados, se encuentra limitado al filo, y está presente en nematodos parasíticos, emerge como un blanco farmacológico promisorio. En este capítulo se revelaron las diferencias en la selectividad agonista y en los sitios ago-PAM entre MOD-1 y el receptor de serotonina humano 5-HT3. Se encontró que la triptamina, un agonista muy parcial de 5-HT3A, es un agonista eficaz de MOD-1, y se demostró además que posee una acción antihelmíntica. Por otro lado, se realizó un testeo de una variedad de compuestos en búsqueda de nuevos moduladores de MOD- 1. Se demostró, mediante estudios electrofisiológicos, que muscimol y piperazina (PZE) son antagonistas no competitivos de MOD-1. Mediante ensayos de comportamiento en gusanos se confirmó el efecto de PZE sobre MOD-1, hallando de esta manera un nuevo blanco molecular para este fármaco de uso antiparasitario. Estos estudios ampliaron el conocimiento de receptores Cys-loop de nematodos para el descubrimiento de nuevos compuestos con actividad nematicida. Por lo tanto, se concluye que, derivados de triptamina y PZE podrían ser explorados como nuevos compuestos con potencial actividad antiparasitaria. En el Capítulo 3, se comenzó a plantear estrategias para reposicionar medicamentos de uso clínico, para lograr superar las desventajas de generar un fármaco de novo, acortando los tiempos y recursos necesarios para realizar los estudios farmacológicos, famacocinéticos y de toxicidad requeridos para la producción de nuevos fármacos dirigidos a tratar patologías en las que los receptores estudiados en esta Tesis están involucrados. Con tal fin, se exploró el efecto de fármacos de uso comercial derivados de triptamina y PZE, debido a lo postulado en el capítulo 2, y se encontró que sumatriptan, un fármaco comercializado para tratar la migraña, sería un buen candidato para reposicionar para la terapia antiparasitaria. Además, PZE podría reutilizarse como modulador alostérico negativo de los receptores 5-HT3A humano abordando patologías en las que este receptor está involucrado, tales como náuseas y vómitos relacionados a la quimioterapia, radioterapia y anestesia, así como para mitigar los síntomas del síndrome de intestino irritable y para patologías del sistema nervioso como depresión, ansiedad y esquizofrenia, entre otras en las que este receptor está involucrado. En resumen, aprovechando la potencialidad que brindan los registros de canal único y de corrientes macroscópicas en el estudio de las bases moleculares del funcionamiento y modulación de estos receptores Cys-loop, se logró hallar un nuevo blanco antiparasitario, descifrar por primera vez las diferencias de activación ortostérica y alostérica del receptor 5-HT3A humano por timol y carvacrol, y generar estrategias de reposicionamiento de fármacos de uso clínico mediante la modulación alostérica de estos receptores tanto en C. elegans como en humano. Estos estudios amplían el conocimiento de la función y modulación de los receptores Cys-loop, generando una base para abordar patologías que involucran a estos receptores y para el desarrollo de nuevos y más selectivos fármacos. / The nervous system consists of a highly complex network of billions of neurons that communicate with each other. Chemical synapses are key to the rapid and efficient neuronal communication and are mediated by the release of neurotransmitters into the synaptic cleft to bind to their specific receptors located either on other cells or postsynaptic neurons. Among the neurotransmitter receptors are the Cys-loop receptors, which belong to the superfamily of ligand-gated pentameric channels (pLGIC). They are integral membrane proteins that convert the chemical signal into an electrical response by allowing ions to pass from one side of the membrane to the other. These receptors are made up of 3 fundamental regions: the extracellular domain, where the neurotransmitter binding site or orthosteric site is located; the transmembrane domain, which forms the channel pore and contains the binding sites for different allosteric modulators; and the intracellular domain which contains modulation sites and amino acids that determine channel conductance. In vertebrates, this family of receptors consists of the nicotinic acetylcholine receptors and the serotonin receptor type 3 (5- HT3), both of which are permeable to cations, and the receptors for γ-aminobutyric acid type A (GABAA) and glycine receptors, permeable to anions. The repertoire of Cys-loop receptors in invertebrates is more varied and extensive, including among them, a serotonin-activated anion channel called MOD-1. Cys-loop receptors have been extensively studied as they are therapeutic molecular targets in a wide variety of pathologies. Expanding our knowledge on the function and modulation of these receptors will therefore contribute to generating better pharmacological strategies for the treatment of these disorders. In this Ph. D. thesis studies were carried out on the function and modulation of the Cys-loop receptors activated by human serotonin, 5-HT3, and of Caenorhabditis elegans, MOD-1, for the search for new drugs and the generation of repositioning strategies for drugs for clinical use. In Chapter 1 the molecular functionality of the human 5-HT3A receptor was studied. It was possible to decipher the differences between orthosteric activation and allosteric activation and modulation by terpenoids, using the valuable patch-clamp technique. The mechanistic bases of 5-HT3A activation by the orthosteric agonists serotonin and tryptamine, and allosteric activation by the terpenoids thymol and carvacrol, were defined. It is revealed that tryptamine is an agonist with very low efficacy and potency. Using whole-cell recordings, they show that terpenoids not only potentiate the currents evoked by serotonin but also have the ability to allosterically evoke macroscopic responses, with greater power and efficiency than tryptamine, although more slowly than serotonin. Using single channel recordings, these compounds were shown to activate the 5-HT3A receptor as highly effective agonists, since they generate longer episodes of activation than serotonin. Our study showed the first characterization at the single channel level of the activation of human 5-HT3A by allosteric ligands, of increasing interest as therapeutic tools. In Chapter 2, a promising new target for anthelmintic therapy was found by extensively studying the MOD-1 receptor of C. elegans. This nematode is a good parasitic model since it shares functional and pharmacological characteristics with parasitic nematodes. In addition, C. elegans is sensitive to most antiparasitic drugs that are directed at the Cys-loop receptors of the parasites. Since MOD-1 is absent in vertebrates, limited to the phylum, and present in parasitic nematodes, it emerges as a promising drug target. In this chapter we revealed the differences in agonist selectivity and ago-PAM sites between MOD-1 and the human serotonin 5-HT3 receptor. Tryptamine, a very partial agonist of 5-HT3A, was found to be an effective agonist of MOD-1, and was further shown to have an anthelmintic action. On the other hand, we carried out a test of a variety of compounds in search of new modulators of MOD-1. We demonstrated by means of electrophysiological studies that muscimol and piperazine (PZE) are non- competitive antagonists of MOD-1. Also, through behavioral tests in worms, we confirmed the effect of PZE on MOD-1, thus finding a new molecular target for this drug for antiparasitic use. These studies have considerably expanded the knowledge of nematode Cys-loop receptors for the discovery of new compounds with nematicidal activity. We conclude that tryptamine and PZE derivatives could be explored as new compounds with potential antiparasitic activity. In Chapter 3, we began to propose strategies to reposition drugs for clinical use in order to overcome the disadvantages of generating a new drug, shortening the time and resources necessary to perform the pharmacological, pharmacokinetic, and toxicity studies required for the production of new drugs aimed at treating pathologies in which the receptors studied in this Ph. D. thesis are involved. To this end, the effect of drugs in commercial use derived from tryptamine and PZE was explored based on the results collected in Chapter 2. It was found that sumatriptan, a drug marketed to treat migraine, appears to be a good candidate to reposition for antiparasitic therapy. In addition, PZE could be reused as a negative allosteric modulator of human 5-HT3A receptors, addressing pathologies in which this receptor is involved, such as nausea and vomiting related to chemotherapy, radiotherapy, and anesthesia, as well as to alleviate the symptoms of irritable bowel syndrome and for pathologies of the nervous system, such as depression, anxiety and schizophrenia, among others in which this receptor is involved. Summing up, taking advantage of the potential offered by single channel recordings and macroscopic currents in the study of the molecular bases of the functioning and modulation of the Cys-loop receptors explored in this Ph. D. thesis, it was possible to: i) find a new antiparasitic target, ii) to decipher for the first time the differences of orthosteric and allosteric activation of the human 5-HT3A receptor by thymol and carvacrol, and iii) to generate drug repositioning strategies for clinical use through allosteric modulation of these receptors in both C. elegans and humans. These studies broaden the knowledge of the function and modulation of Cys- loop receptors, generating a basis for addressing pathologies that involve these receptors as well as for developing new and more selective drugs.

Los receptores cys-loop pertenecen a la familia de canales iónicos pentaméricos activados por ligandos (pLGICs). Se expresan ampliamente en el sistema nervioso, donde ejercen un rol vital en la comunicación neuronal. Están involucrados en los procesos de aprendizaje, memoria, movimiento, entre otros. Se han asociado alteraciones en la funcionalidad de estos receptores con una gran variedad de desórdenes neurológicos, tales como enfermedad de Alzheimer, enfermedad de Parkinson, epilepsia, síndromes miasténicos, esquizofrenia y depresión. Por ello, los receptores cys-loop son importantes blancos farmacológicos. En consecuencia, consideramos que el conocimiento de los mecanismos moleculares que conducen a su activación y disfunción es de suma relevancia. Los receptores Cys-loop están formados por un dominio extracelular, que contiene los sitios de unión de agonista, y un dominio transmembrana, que forma el poro iónico. La interfase entre ambos dominios, llamada región de acoplamiento, desempeña un rol clave en la propagación de los cambios conformacionales que se inician con la unión del agonista en la región extracelular y culminan con la apertura del poro iónico a nivel transmembranal. En este trabajo de Tesis Doctoral estudiamos dos regiones claves en el proceso de activación de los receptores Cys-loop: el sitio de unión de agonista, donde comienza la respuesta, y la interfase entre los dominios extracelular y transmembrana o región de acoplamiento. Utilizamos receptores homopentaméricos que por estar compuestos por cinco subunidades iguales, poseen cinco sitios de unión de agonista y cinco regiones de acoplamiento idénticas. Los receptores homoméricos surgieron más tempranamente en la escala evolutiva por lo que presentan características estructurales y funcionales comunes a todos los miembros Cys-loop, y son, por lo tanto, modelos útiles para el estudio de los receptores de esta familia. En el Capítulo I de esta Tesis determinamos el número de regiones de acoplamiento necesario para la activación de los receptores Cys-loop y su relación con los sitios de unión de agonista. Para ello, utilizamos como modelo de receptor homopentamérico al receptor quimérico a7-5HT3A, compuesto por secuencias del receptor a7 en su dominio extracelular y secuencias del receptor 5-HT3A en su dominio transmembrana, el que ha sido ampliamente utilizado como modelo de a7. Para conocer la contribución de cada una de las cinco regiones de acoplamiento a la estabilidad de canal abierto del receptor a7-5HT3A, empleamos nuestra estrategia experimental denominada electrical fingerprinting. Según esta estrategia, co-transfectamos células con una subunidad conteniendo la región de acoplamiento activa y otra subunidad conteniendo la región de acoplamiento inactiva, una de ellas conteniendo además mutaciones reporteras de conductancia. De esta forma, logramos expresar en membrana receptores con distinto número de regiones de acoplamiento funcionales que son identificados mediante registros de patch-clamp de canal único. Gracias a la presencia de las mutaciones reporteras de conductancia, la medición de la amplitud de cada apertura nos permitió conocer la estequiometria del receptor, es decir, el número de subunidades con región de acoplamiento funcional que tiene el receptor pentamérico que dio origen a esa apertura. Determinamos la duración de los eventos de apertura provenientes de receptores con distinto número de regiones de acoplamiento funcionales, que constituye una medida de la estabilidad de canal abierto. Encontramos que cada región de acoplamiento contribuye en forma independiente y simétrica a la estabilidad del canal abierto y que son necesarias las cinco regiones de acoplamiento funcionales para lograr la óptima activación del receptor. Demostramos además que la presencia de una sola región de acoplamiento funcional en el pentámero es suficiente para lograr la activación pero no permite mantener el canal abierto en su tiempo óptimo. Además generamos receptores a7-5HT3A mutantes, que contenían distinto número de sitios de unión de agonista y regiones de acoplamiento funcionales. Esta estrategia nos permitió establecer los requisitos estructurales mínimos que logran la activación del receptor, así como también los requerimientos estructurales que conducen a la máxima estabilidad del estado abierto. Encontramos que el receptor es capaz de responder al agonista mediante la ocupación de un único sitio si este se encuentra formado por dos subunidades con regiones de acoplamiento funcionales. Sin embargo, para lograr la óptima activación y duración máxima del canal abierto, el receptor modelo utilizado requiere de tres sitios de unión de agonista funcionales y sus cinco regiones de acoplamiento intactas. En el Capítulo II, estudiamos la activación del receptor neuronal a7 en condiciones de sub-ocupación de sus cinco sitios de unión de agonista. Este receptor se localiza principalmente en sitios distantes a los sitios de síntesis y liberación de acetilcolina (ACh), por lo que la ACh, o su producto colina, deben difundir y unirse a receptores a7 distantes. Este mecanismo colinérgico no sináptico predice que el grado de ocupación de los receptores a7 sería bajo en condiciones fisiológicas. Para estudiar la activación del receptor a7 en condiciones de sub-ocupación de sus sitios de agonista, realizamos ensayos electrofisiológicos y medimos la duración del canal abierto de receptores individuales que presentan un único sitio de unión de agonista funcional, y la comparamos con la de receptores que tienen sus cinco sitios funcionales. Para conocer el número de sitios de unión de agonista funcionales empleamos nuevamente la estrategia electrical fingerprinting. Esta estrategia requiere la medición exacta de la amplitud. Teniendo en cuenta que los receptores a7 presentan aperturas de duración breve que no permiten la resolución de su máxima amplitud, los estudios electrofisiológicos se realizaron sobre receptores a7 mutados o en presencia de potenciadores que aumentan la duración del canal abierto. En este trabajo, demostramos que la estabilidad del canal abierto de receptores a7 que presentan un único sitio de unión de agonista funcional es la misma que la de los receptores que presentan sus cinco sitios disponibles. Por otro lado, cuando reemplazamos el dominio transmembrana del receptor a7 por el del receptor 5-HT3A, encontramos que la duración del canal abierto se incrementa al aumentar el número de sitios ocupados por agonista. Este resultado demuestra por primera vez que el dominio extracelular no es el único determinante de la relación entre ocupación y estabilidad del canal abierto. Por lo tanto, en este trabajo demostramos la capacidad del receptor a7 de activarse y producir respuestas máximas con la ocupación de un solo sitio de unión de agonista, propiedad que es única y exclusiva de este receptor dentro de todos los miembros de la familia de receptores Cys-loop. Este resultado posee además relevancia fisiológica dado que esta propiedad le permitiría al receptor adaptarse al mecanismo de transmisión no sináptico. En su conjunto, los resultados que surgen de esta Tesis revelan una novedosa relación funcional entre dos dominios estructurales de estos receptores, el sitio de unión de agonista y la región de acoplamiento, y, además, contribuyen al conocimiento general del mecanismo de activación de los receptores de la familia Cys-loop. / Cys-loop receptors belong to the family of pentameric ligand-gated ion channels (pLGICs). They are widely expressed in the nervous system, where they exert a vital role in neuronal communication. They are involved in learning, memory, movement processes, among others. Functional disorders of these receptors have been associated with several neurological disorders, such as Alzheimer's disease, Parkinson's disease, epilepsy, myasthenic syndromes, schizophrenia and depression. Because Cys-loop receptors are important pharmacological targets for the development of therapies, the knowledge of the molecular mechanisms leading to activation and dysfunction of these receptors is of great importance. Cys-loop receptors contain an extracellular domain that carries the agonist binding sites and a transmembrane region that forms the ion pore. The interface between both domains, named as the coupling region, plays a key role in the propagation of the conformational changes from the binding site at the extracellular domain to the pore, located at the transmembrane region. In this Thesis, we studied two key regions that are essential for the activation process of Cys-loop receptors: the agonist binding site, where the response begins, and the interface between the extracellular and transmembrane domains or coupling region. We used homopentameric receptors that contain five identical subunits, and therefore five identical agonist binding sites and coupling regions. Because homomeric receptors appeared earlier on the evolutionary scale, they present structural and functional features that are common to all Cys-loop members, and are therefore useful models for the study of this receptor family. In Chapter I of this Thesis we studied the number of coupling regions necessary for Cys-loop receptor activation and evaluated the functional relationship of this domain with the agonist binding sites. To this end, we used a model of homopentameric receptor, the a7-5HT3A chimeric receptor, which contains a7 sequences in the extracellular domain and 5-HT3A sequences in the transmembrane domain. To determine the contribution of each of the five coupling regions to the stability of the open channel, we used our experimental strategy which is called electrical fingerprinting. For this strategy, cells were co-transfected with a subunit with an active coupling region and another subunit with an inactive coupling region, one of which carrying reporter conductance mutations, to generate receptors with different number of functional coupling regions. Next, we performed single-channel recordings to identify functional receptors using the patch-clamp technique. Due to the introduction of reporter conductance mutations, the measurement of the amplitude of each opening event allowed us to know receptor stoichiometry, i.e., the number of subunits with functional coupling region present in the pentameric receptor which originated the event. We measured open channel duration of receptors with different numbers of functional coupling regions, which indicates the open channel stability. We found that each coupling region contributes independently and symmetrically to open channel stability. We showed that five coupling regions are necessary to achieve optimal receptor activation and that the presence of only one functional coupling region is sufficient for receptor activation, but with reduced open channel duration. Furthermore, we constructed a7-5HT3A mutant receptors, containing different number of agonist binding sites and functional coupling regions. This strategy allowed us to establish the minimum structural requirements for receptor activation as well as the structural requirements for maximal open channel stability. We found that a7-5HT3A receptors are capable of responding to agonist by occupying a single agonist binding site, only if this site is formed by two subunits carrying functional coupling regions. However, to achieve optimal activation and maximal open channel duration, the model receptor requires three functional agonist binding sites and five functional coupling regions. In Chapter II, we studied a7 neuronal receptor activation under sub-occupancy conditions of its five agonist binding sites. In the brain, this receptor is mainly located at distant sites from the sites of synthesis and release of acetylcholine (ACh), so ACh, or its product choline, diffuse to bind distant a7 receptors. This non-synaptic cholinergic mechanism predicts that the degree of a7 receptor occupancy is low under physiological conditions. To study a7 activation under sub-occupancy conditions we performed single-channel recordings and measured open channel duration of receptors with only one functional agonist binding site, and compared it with that of receptors containing their five intact agonist binding sites. To know the number of agonist binding sites, we employed again the electrical fingerprinting strategy. This strategy requires accurate measurement of open channel amplitude. Because the brief duration of a7 opening events do not allow full amplitude resolution, single-channel recordings were performed in either a7 mutant receptors or in the presence of potentiators that increase open channel duration. In this work, we demonstrated that open channel stability of receptors with a single agonist binding site is the same as that of receptors containing five functional sites. Moreover, when we replaced the transmembrane domain of a7 receptors by that of 5-HT3A receptor, we found that open channel lifetime increases as the number of sites occupied by agonist increases. This result shows for the first time that the extracellular domain is not the only determinant of the relationship between occupancy and open channel stability. Therefore, in this work we demonstrated the ability of a7 receptor for activation and eliciting maximal responses with occupancy of only one agonist binding site, a property that is unique for a7 among all members of the Cys-loop family. This result has a physiological relevance since this property would allow a7 receptors to adapt to their non-synaptic mechanism. Taken together, the results that emerge from this Thesis reveal a novel functional relationship between two structural domains, the agonist binding site and the coupling region, and contribute to the general knowledge of the activation mechanism of Cys-loop receptors.

Dentro de la superfamilia de los canales iónicos activados por ligando (LGIC) se encuentra la familia de los receptores Cys-loop que incluye a canales catiónicos, como los receptores nicotínicos de acetilcolina (nAChRs) y los receptores 5-HT3 de serotonina; y canales aniónicos, como los activados por GABA (GABAA) y glicina. Estos receptores revisten importancia tanto en la fisiología normal como así también en diversas y muy variadas patologías, entre las que se pueden mencionar las enfermedades neurodegenerativas como la enfermedad de Alzheimer (EA). Este hecho los posiciona como blancos moleculares importantes para el desarrollo de nuevos fármacos, y es por esto que el conocimiento de su función y modulación resulta un aspecto clave. Los receptores Cys-loop son proteínas transmembrana, por lo que su función se encuentra condicionada por su entorno lipídico y estímulos propios de la membrana celular, además de por distintos estímulos o factores externos a ella. Están formados por 5 subunidades organizadas pseudo-simétricamente alrededor de un poro o canal central. En estos receptores pueden distinguirse un dominio extracelular (ECD, del inglés extracellular domain), donde se encuentran los sitios de unión al agonista y/o antagonistas, un dominio transmembrana (TMD, del inglés transmembrane domain), que contiene el canal iónico y que se encuentra en extenso contacto con los lípidos de la membrana, y un dominio pequeño intracelular (ICD, del inglés intracellular domain), que contiene distintos sitios de regulación y señalización intracelular. En esta Tesis Doctoral se profundizó en el estudio de la función y modulación de 2 receptores de neurotransmisores pertenecientes a los receptores Cys-loop: los nAChRs, muscular y α7 neuronal, y los receptores 5-HT3. En el capítulo I se estudió la modulación del nAChR muscular por el entorno lipídico de la membrana en la que se encuentra. Se hizo foco especialmente en el colesterol (Col), lípido clave para el correcto funcionamiento del nAChR y que presenta distintas asimetrías laterales y transmembrana en diferentes momentos de la vida y en condiciones de salud o enfermedad. Se trabajó con distintos sistemas modelo: vesículas unilamelares grandes (LUVs), vesículas unilamelares gigantes (GUVs), membranas ricas en nAChR de T. californica o células BOCSC 23 expresando heterologamente el nAChR muscular. A cada uno se le realizaron distintos tratamientos para modificar las condiciones de Col con el fin de obtener sistemas que presenten: i) un aumento del contenido de Col, ii) un aumento de esteroles en la hemicapa externa (por agregado de colesterol hemisuccinato (CHEMS)), o iii) transformación de parte del Col a colestenona (por la enzima colesterol oxidasa (Cox)). Mediante estudios de fluorescencia utilizando las sondas DPH, TMA-DPH y Laurdan se determinó que el orden de membrana aumentó cuando se incorporó CHEMS. Mediante estudios de espectrofotometría utilizando la sonda cristal violeta (CrV) y la técnica de patch-clamp se detectaron, respectivamente, modificaciones conformacionales en el nAChR y cambios en la activación del mismo cuando los diferentes sistemas habían sido incubados con CHEMS o Cox, no así con Col. Tratando LUVs con Tritón, y posterior centrifugación y separación por SDS-PAGE, se determinó que luego de la incorporación de Col o CHEMS al sistema, el nAChR se localizó mayoritariamente en fracciones ordenadas, mientras que cuando se produjo la transformación del Col a colestenona el receptor se localizó principalmente en fracciones desordenadas. Por último, estudios de microscopía confocal utilizando GUVs mostraron que alteraciones en el Col causaron cambios significativos en la presencia y distribución de dominios ordenados y desordenados; y que la presencia de un componente proteico en el sistema, como es un péptido representativo del segmento transmembrana yTM4 del nAChR, alteró las características de la membrana, llevando a todo el sistema a un mayor orden. De acuerdo con estos resultados, distintas modificaciones del Col en la membrana llevan a cambios de su orden y asimetría, y al mismo tiempo a cambios en la localización del nAChR en un determinado entorno, hecho que repercute directamente en su funcionalidad. Su localización en dominios ordenados ocasiona una disminución de su actividad, mientras que su presencia en dominios más desordenados lleva a un aumento de su función. De esta manera, la localización del nAChR en uno u otro dominio podría explicar los cambios en la señal colinérgica reportados en situaciones de envejecimiento y/o patologías como la EA. Existen numerosas evidencias de interacciones funcionales entre los péptidos β-amiloide (Aβ), involucrados en la enfermedad de Alzheimer, y el nAChR α7. En el capítulo II se estudió la modulación del nAChR α7 neuronal por oligómeros de Aβ1-40 y Aβ1-42. Se ha postulado que la acumulación excesiva de estos péptidos en el cerebro provoca la formación de placas seniles, directamente relacionadas con el proceso de neurodegeneración e inflamación característico de esta enfermedad. Sin embargo, evidencias más recientes sugieren que las especies más neurotóxicas serían las formas oligoméricas de Aβ. Mediante estudios de fluorescencia utilizando la sonda CrV se demostró que los oligómeros de Aβ provocan cambios conformacionales en el receptor α7. Utilizando la técnica de patch clamp se determinó que dichos oligómeros son capaces de activar al receptor α7 en muy bajas concentraciones y que, a concentraciones más altas, disminuyen la potenciación de α7 por moduladores alostéricos positivos (PAMs, positive allosteric modulators). Estos resultados muestran un rol dual de los oligómeros de Aβ dependiente de su concentración, como agonistas y como moduladores negativos de α7. El efecto agonista, potenciador de la señal colinérgica, podría tener un rol importante en la fisiología normal del individuo, mientras que el efecto inhibitorio, dado por su exacerbada producción, podría contribuir a la deficiencia en la memoria y cognición asociada a la EA. Teniendo en cuenta las características multifactoriales de la EA, la estrategia de búsqueda de nuevas moléculas apunta al descubrimiento y desarrollo de “multitarget drugs”, es decir de moléculas activas en varios blancos moleculares, por lo que el capítulo III se centró en el descubrimiento y optimización de nuevas moléculas bifuncionales que sean capaces de activar al nAChR e inhibir a la acetilcolinesterasa (ACE). Partiendo de un screening de extractos obtenidos de distintas plantas medicinales, mediante técnicas cromatográficas y de resonancia magnética nuclear se identificó a la molécula de cafeína como una molécula sumamente interesante para la EA. Además de confirmar su ya conocida actividad inhibidora de la ACE, utilizando técnicas de espectrofotometría con la sonda fluorescente CrV y de patch-clamp, en este trabajo se postula su actividad agonista sobre los nAChRs muscular y α7 neuronal. Caracterizada la actividad de la cafeína sobre el sistema colinérgico, se obtuvieron luego 5 análogos sintéticos de esta molécula mediante diseño racional. Se determinó que todos los análogos presentan actividad sobre ambos blancos moleculares, la ACE y los nAChRs, y cuya potencia es mayor a la de la cafeína. Mediante estudios de modelado molecular y docking se identificaron los sitios de inhibición de los análogos de la cafeína en la ACE y de interacción con el nAChR permitiendo postular a estos compuestos como agonistas parciales. Estos hallazgos resultan prometedores en la búsqueda de nuevos fármacos como una estrategia terapéutica para la EA. El otro receptor estudiado en este trabajo de Tesis fue el receptor 5-HT3, uno de los menos conocidos de la familia de los Cys-loop, el cual a nivel presináptico participa de la finalización de la señal nerviosa, tornándose un blanco molecular novedoso tanto en la EA como en otras patologías neurodegenerativas que requieran una potenciación de dicha señal. En el capítulo IV, utilizando el receptor de alta conductancia 5-HT3AHC, se descifraron por primera vez las diferencias entre la activación ortostérica del mismo y su activación alostérica por timol y carvacrol. Mediante la técnica de patch clamp, combinando registros de corrientes macroscópicas en la configuración whole-cell y de canal único en la configuración cell-attached, se caracterizó en primer lugar la activación del receptor humano 5-HT3AHC por los agonistas ortostericos 5-HT y triptamina, y luego la activación alostérica mediada por 2 terpenoides, carvacrol y timol. Se confirmó que tanto el carvacrol como el timol se comportan macroscópicamente como agonistas menos eficaces que 5-HT. Sin embargo, a nivel de canal único, estos 2 terpenoides activan a los receptores 5-HT3A con mayor eficacia que 5-HT. Más aún, se determinó que además de actuar como agonistas, el carvacrol y el timol actúan como modulares alostéricos positivos del receptor 5-HT3AHC humano, y que el efecto potenciador es evidente a concentraciones menores que el efecto agonista. De esta manera, los resultados de este capítulo permitieron definir las bases mecanísticas que subyacen a las diferencias entre la activación y potenciación alostérica u ortostérica del receptor humano 5-HT3A. En resumen, en este trabajo de Tesis se profundizó en el conocimiento de distintas formas de modulación de los nAChRs y del receptor 5-HT3, ya sea por moléculas exógenas o por el entorno lipídico en el que se encuentran, brindando bases moleculares para el entendimiento de su función, su modulación y su afección en determinadas patologías como la EA. En este trabajo se lograron avances significativos, con resultados de gran relevancia, ya sea para el estudio o tratamiento de esta enfermedad. / The Cys-loop receptor family, which belongs to the Ligand-gated ion channel (LGIC) superfamily, includes cation channels, such as nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) and serotonin 5-HT3 receptors, and anion channels, such as those activated by GABA (GABAA) and glycine. These receptors are important in normal physiology and in various pathologies, among which neurodegenerative diseases, such as Alzheimer's disease (AD), are included. They are therefore important molecular targets for the development of new drugs, this being the reason why the knowledge of their function is indeed a very interesting aspect worth exploring. Cys-loop receptors are integral membrane proteins whose function is conditioned by their lipid environment as well as by different extrinsic factors. These receptors are formed by five subunits organized pseudo-symmetrically around a central pore. Three different domains can be distinguished: an extracellular domain (ECD), where the agonist and/or antagonist binding sites are localized, a transmembrane domain (TMD), which contains the ion pore and is in extensive contact with membrane lipids, and a small intracellular domain (ICD), which is important for the conductance of the channel and modulation. In this Doctoral Thesis, the function and modulation of two neurotransmitter receptors that belong to the Cys-loop receptor family, nAChRs and 5-HT3 receptors, were explored by using a large variety of fluorescence, confocal microscopy and electrophysiological approaches. In Chapter I, modulation of the muscle nAChR by its lipid environment was studied. Special attention was put on cholesterol (Chol), which displays different lateral and transmembrane asymmetries all throughout life as well as under health and disease conditions. This lipid is crucial for the proper functioning of the nAChR. Different model systems were used: large unilamellar vesicles (LUVs), giant unilamellar vesicles (GUVs), T. californica nAChR rich membranes and BOSC 23 cells heterologously expressing the muscle nAChR. The experimental systems were subjected to different treatments to modify their Chol conditions resulting in: i) an increment in Chol content, ii) an increment in sterols in the outer layer (after addition of cholesteryl hemisuccinate (CHEMS)), and iii) conversion of part of the Chol to cholestenone (through the enzyme Cholesterol Oxidase (ChOx)). Through fluorescence studies using DPH, TMA-DPH and Laurdan probes it was determined that the membrane order increased when CHEMS was incorporated. By using the fluorescent probe Crystal Violet (CrV) and patch-clamp recordings, conformational changes of the nAChR associated to changes in its activation properties were detected after incubation with either CHEMS or ChOx, but not with Chol. By treating LUVs with Triton, and subsequent centrifugation and separation by SDS-PAGE, it was determined that after incorporation of Chol or CHEMS to the system the nAChR was located mostly in ordered fractions, while after the conversion of Chol to cholestenone the receptor was found in disordered fractions. Confocal microscopy studies using GUVs showed that Chol alterations caused significant changes in the presence and distribution of ordered and disordered domains, and that the mere presence of a protein component in the system, specifically a peptide corresponding to the forth transmembrane segment of the nAChR (M4), led to a higher order of the entire system. According to our results, we conclude that modifications of membrane Chol lead to changes in membrane order and asymmetry, and, at the same time, in the location of the nAChR, a fact that would directly affect its functionality. The location of the nAChR in ordered domains causes a decrease in its activity whereas its location in more disordered domains enhances its function. In this way, the location of the nAChR in one or another domain fine-tunes its function and could explain the changes in the cholinergic signal reported in situations of aging and/or pathologies, such as AD. There is increasing evidence of functional interactions between β-Amyloid (Aβ) peptides, involved in Alzheimer's disease, and α7 nAChR. In Chapter II, modulation of α7 nAChR by Aβ1-40 and Aβ1-42 oligomers was studied. It has been postulated that the accumulation of these peptides in the brain causes the formation of senile plaques, which are directly related to the neurodegeneration and inflammation observed in AD. However, more recent evidence suggests that the most neurotoxic species are the oligomeric forms of Aβ. Fluorescence studies using the CrV probe demonstrated that Aβ oligomers cause conformational changes in the α7 receptor, which were dependent on the concentration. Accordingly, single channel recordings revealed that whereas at very low concentrations (pM to nM range) these oligomers are capable of activating the α7 receptor, at higher concentrations, which are compatible with those found in AD patients, they decrease the enhancement of α7 by positive allosteric modulators (PAMs). These results show a dual role of Aβ oligomers depending on their concentration, as agonists and as negative modulators of α7. The agonist effect, which enhances the cholinergic signal, could have an important role in normal physiology, while the inhibitory effect, given by the exacerbated production of Aβ, could contribute to the failure in memory and cognition associated with AD. Taking into account that Alzheimer’s is a multifactorial disease, the search for new molecules aims at discovering and developing “multitarget drugs”. Chapter III is focused on the discovery and optimization of new bifunctional molecules capable of activating the nAChR and inhibiting the AChE. Starting from a screening of extracts obtained from different medicinal plants and using chromatographic techniques and nuclear magnetic resonance, the caffeine molecule was identified as a highly interesting molecule for AD. In addition to its already known AChE inhibitory activity, using CrV fluorescence probe and patch-clamp techniques we postulated its agonist activity in the muscle and α7 nAChRs. After having characterized the activity of caffeine in the cholinergic system, five synthetic analogs of this molecule were obtained by rational design. It was determined that all the analogs have activity in both molecular targets, the AChE and the nAChRs, and that they have a greater potency than caffeine. Through docking studies, the sites of inhibition of caffeine analogs in the AChE and the sites of interaction with the nAChRs were proposed. These compounds are promising as new drugs for a therapeutic strategy for AD. The other receptor explored in this Thesis was the 5-HT3 receptor, one of the least known of the Cys-loop family, which has been recently proposed as a novel molecular target both in AD and in other neurodegenerative pathologies. In Chapter IV, by taking advantage of the high-conductance receptor 5-HT3AHC, differences between orthosteric and allosteric activation of the human 5-HT3A receptor were deciphered for the first time. By using the patch clamp technique, and combining macroscopic current recordings in the whole-cell configuration and single channel recordings in the cell-attached configuration, the activation of the human 5-HT3AHC receptor by the orthosteric agonists, 5-HT and tryptamine, and the allosteric activation, by carvacrol and thymol, were described. Both carvacrol and thymol were less effective agonists than 5-HT at the macroscopic level. However, at the single channel level, these two terpenoids activated 5-HT3A receptors more efficiently than 5-HT. Furthermore, it was demonstrated that in addition to acting as agonists, carvacrol and thymol behave as positive allosteric modulators of the human 5-HT3AHC receptor at low concentrations. In this way, these results made it possible to define the mechanistic bases underlying the differences between orthosteric and allosteric activation and potentiation of the human 5-HT3A receptor. Summing up, in this Doctoral Thesis we deepened into the knowledge of modulation of the nAChRs and the 5-HT3 receptor, either by extrinsic molecules or by the lipid environment in which they are located. Our findings provide molecular bases for the understanding of the function and modulation of these receptors and their implication in certain pathologies, such as AD. In this work, significant advances with highly relevant results were made for the study or treatment of this disease.