En aquesta tesi s'han estudiat l'excreció de transportadors de sodi i canals d'aigua o aquaporines renal en diverses patologies del balanç hidrosalí, així com l'expressió d'aquestes proteïnes en ronyó de rates en un model experimental d'hipertensió induïda per ciclosporina.En el primer treball, en un model experimental de rata d'hipertensió induïda per ciclosporina vam detectar que les rates que desenvolupaven hipertensió tenien augmentada l'expressió renal del transportador de sodi NKCC2. Aquest increment d'NKCC2 podria afavorir la reabsorció de sodi a nivell de la nansa de Henle amb la conseqüent expansió del volum plasmàtic, i per tant, un augment de la pressió arterial. L'augment detectat de l'aquaporina-1 detectat a les rates tractades podria estar afavorint una reabsorció més efectiva d'aigua al túbul proximal, mentre que la reducció de l'expressió d'aquaporina-2 a les rates tractades conduiria a una disminució de la permeabilitat del túbul col·lector i podria representar un mecanisme compensatori a l'increment de la reabsorció de sodi i aigua.Més endavant vam estudiar l'excreció de les aquaporines-1 i -2 a l'orina de pacients amb cirrosi en les diferents fases de la retenció de sodi i aigua (cirrosi sense ascites, cirrosi amb ascites i síndrome hepatorenal). En aquesta malaltia a mesura que evoluciona la hepatopatia apareix una retenció hidrosalina. Aquesta es manifesta inicialment per edemes i ascites, passant posteriorment al desenvolupament d'hiponatrèmia com a conseqüència del predomini de la retenció d'aigua respecte a la sal. Vam observar que l'excreció urinària d'aquaporina-2 disminuïa de forma progressiva a mesura que progressava la retenció hidrosalina. Aquestes dades apunten a que hi hauria menor quantitat d'aquaporina-2 al túbul col·lector i una menor permeabilitat osmòtica d'aquest epiteli que podria representar una resposta adaptativa del ronyó a la retenció hidrosalina i a l'expansió del volum del fluid extracel·lular. D'altra banda, no es van trobar diferències en l'excreció urinària d'aquaporina-1 entre individus controls i pacients cirròtics amb o sense ascites, tot i que aquest canal d'aigua s'ha trobat disminuït en pacients amb síndrome hepatorenal.Per a estudiar amb major profunditat l'excreció de les proteïnes renals de la membrana apical en exosomes a l'orina vam estudiar en primer lloc la localització de les proteïnes NKCC2 i les aquaporines-1 i -2, així com les formes fosforilades pNKCC2 i pS256-Aquaporina-2, a nivell ultraestructural en ronyó humà. Així per primera vegada vam detectar les proteïnes NKCC2 i les aquaporines-1 i -2, així com les formes fosforilades, associades a unes estructures vesiculars que podrien correspondre's als cossos multivesiculars. D'altra banda vam confirmar totes les proteïnes anteriorment esmentades associades a exosomes urinaris en orina humana ultracentrifugada. Finalment en l'últim treball amb pacients amb hipertensió essencial vam estudiar com la ingesta de sal modificava la pressió arterial i l'excreció de diferents transportadors de sodi (NKCC2 i NCC) en exosomes urinaris. Tot i que en aquest estudi es van detectar per primera vegada els transportadors NKCC2 i NCC en exosomes urinaris pacients hipertensos, l'excreció en exosomes urinaris d'aquests transportadors no permetia preveure quina regió tubular podria estar implicada en la patogènia de la sal sensibilitat.En definitiva, els resultats d'aquess estudis ens han permès aprofundir en els mecanismes fisiopatològics que intervenen en la susceptibilitat d'aquestes patologies i més important encara, ens han donat les bases per posa a punt nous projectes en patologies humanes amb una orientació fisiopatològica i sobretot terapèutica. / In this thesis we have studied the urinary excretion of renal sodium transporters and water channels in several pathologies of the water and salt balance, likewise the expression of these proteins in the kidney of rats in an experimental model of hypertension induced by cyclosporine.At the first work, in an experimental model of rat with hypertension induced by cyclosporine we detect that the rats with hypertension had an increased expression of the renal sodium cotransporter NKCC2. This increase could facilitate the sodium reabsorption in the thick ascending limb, so there would be an increase of the plasmatic volume and the consequent rise of the blood pressure. The observed augment of aquaporin-1 in the rats treated with cyclosporine could be increasing a more effective water reabsorption in the proximal tubule, while the reduction of the expression of the aquaporin-2 in the treated rats would lead to a diminished permeability of the collecting duct and it could represent a compensatory mechanism to the increased reabsorption of sodium and water.Furthermore we studied the urinary excretion of aquaporin-1 and -2 of cirrhotic patients in the different phases of the sodium and water retention (cirrhosis without ascites, cirrhosis with ascites and hepatorenal syndrome). This disease progresses to sodium retention which is often associated with an impaired ability to eliminate solute-free water, which may lead to dilutional hyponatremia from a disproportionate increase in total body water relative to total sodium content. We detected a progressive decrease in urinary aquaporin-2 excretion as the severity of cirrhosis increased, from compensated cirrhosis to cirrhosis with ascites and hepatorenal syndrome. The reduction of aquaporin-2 would mean a decreased abundance of renal aquaporin-2 and therefore lower water permeability in the collecting tubules. This may represent an adaptive renal response to sodium retention, with expansion of extracellular fluid volume and dilutional hyponatremia observed in those who have cirrhosis with ascites. On the other hand, there were no differences between healthy subjects and patients with cirrhosis with or without ascites in urinary excretion of aquaporin-1, but urinary aquaporin-1 excretion of those with hepatorenal syndrome was extremely low. To study in depth the excretion of apical renal proteins via exosomes to the urine, first of all, we investigated the localization of the proteins NKCC2 and aquaporins-1 and -2, as well as the phosphorylated proteins pNKCC2 and pS256-aquaporin-2 at ultrastructural level in human kidney. So, for first time we could detect all these proteins, but aquaporin-1, associated to vesicles that could be the multivesiculars bodies. On the other side, we also confirmed the presence of all those proteins, including aquaporin-1, associated to urinary exosomes from ultracentrifuged human urine. Eventually, at the last work with patients with essential hypertension we studied how the salt intake could modify the arterial blood pressure and the excretion of two renal sodium transporters (NKCC2 and NCC) in urinary exosomes. Even though it was the first time NKCC2 and NCC were detected in urinary exosomes from hypertensive patients, the excretion of these transporters through exosomes in the urine could not predict which part of the renal tubule might be implicated in the pathogenesis of salt sensitive hypertension.

La tesi doctoral s'emmarca dins de l'àrea de la biologia molecular de plantes, incloent algunes consideracions de tipus fisiològic, i descriu la identificació i caracterització de 5 gens Arabidopsis que codifiquen proteïnes amb similitud estructural amb els transportadors de coure eucariotes de la família Ctr. Els resultats del treball s'han dividit en tres capítols. En el primer d'ells s'analitza a nivell teòric les seqüències dels polipèptids de la família COPT d'Arabidopsis, s'investiga la seua funcionalitat en un sistema d'expressió heteròleg i es caracteritza de forma global el perfil d'expressió dels gens de la família. En aquest apartat es mostra que COPT1 i COPT2 restableixen amb gran eficiència el creixement en medi de selecció d'una soca de llevat deficient en el transport de coure d'alta afinitat i s'estableix que l'expressió dels dos transportadors es reprimeix en resposta a un tractament amb dosis tòxiques de coure. Per un altre costat, COPT3 i COPT5 complementen amb baixa eficiència al mutant de llevat i no responen al tractament amb coure. Les conclusions d'aquest primer apartat permeten proposar un model sobre la localització i funció cel·lular dels transportadors de la família. Els altres dos capítols de la tesi es centren específicament en l'estudi del gen COPT1. En el segon capítol, es descriu l'obtenció de plantes transgèniques que expressen un gen quimèric format per la fusió del promotor de COPT1 al gen GUS. L'anàlisi histoquímic d'aquestes plantes permet dilucidar que el gen COPT1 s'expressa en embrions i plàntules d'Arabidopsis. A més, en plantes adultes, l'expressió de COPT1 es restringeix als àpex radiculars, als tricomes, a les cèl·lules guarda i al pol·len. En l'últim capítol de la tesi s'exposa l'anàlisi fenotípic de plantes transgèniques que sobreexpressen i silencien COPT1, focalitzant l'estudi en els teixits descrits en el capítol anterior. Així, es mostra que la sobreexpressió de COPT1 causa hipersensibilitat al coure i l'activació dels sistemes de segrest cel·lulars, representats per la metal·lotioneïna MT1a. D'altra banda, el silenciament postranscripcional de COPT1 causa una reducció en l'absorció de coure, hipersensibilitat al dèficit de coure, un allargament de l'arrel primari i irregularitats en la formació de la coberta d'exina. Globalment, els resultats de la tesi descriuen per primera vegada l'expressió d'un transportador de coure als arrels d'una planta superior i assenyalen la participació de COPT1 en l'absorció de coure i en altres processos fisiològics i del desenvolupament vegetatiu i reproductiu d'Arabidopsis thaliana. / The work presented in this thesis describes the identification and characterization of 5 genes (COPT1-5) encoding putative Ctr-like Arabidopsis copper transporters. The first chapter encompasses a theoretical comparison of the COPT protein sequences, a functional study in a heterologous system and a preliminary expression and copper-regulation pattern analysis. COPT1 and COPT2 restore with high efficiency the growth of a yeast strain deficient in high affinity copper uptake and both genes are downregulated by exposure of leaves to copper treatment. COPT3 and COPT5 poorly substitute for their yeast counterparts and do not respond to copper treatment. Based on these results, a model for the cellular function of the COPT family members is proposed. The second chapter describes the generation and analysis of transgenic plants expressing a GUS reporter gene under the control of the COPT1 promoter. GUS specific staining is specifically detected in embryos, cotyledons, root tips, tricomes, guard cells and pollen grains. The last chapter describes the generation and phenotypical analysis of Arabidopsis transgenic plants overexpressing and silencing the COPT1 gene. Overexpression of COPT1 causes enhanced copper sensitivity and constitutive activation of the metallothionein gene MT1a. Overexpressing the complementary sequence of COPT1 produces a reduction in copper absorption, enhanced sensitivity to copper deficiency, increased root length and abnormalities in the pollen exine layer. Overall, the results presented here describe for the first time the expression of a copper transporter in the roots of a higher plant and indicate the participation of COPT1 in copper uptake and other physiological and developmental processes of Arabidopsis thaliana

Las funciones del hígado son importantes debido a su localización estratégica, entre el sistema digestivo y el resto del cuerpo (la circulación sistémica). La generación de los anticuerpos contra los transportadores de nucleósidos sodio-dependientes rCNT1 (pirimidina preferente) y rCNT2 (purina preferente) permitieron identificar la presencia de estos dos transportadores en hígado. El primer objetivo de esta tesis es establecer la localización y la distribución subcelular de rCNT1 y rCNT2 en hepatocitos de rata. Los hepatocitos representan un 60-80% de la masa celular total del hígado; son células altamente polarizadas y se caracterizan por tener una membrana plasmática diferenciada en tres dominios funcionales diferentes: la membrana basal la apical y la lateral. Por estas características y por ser muy activos metabolitamente, las células hepáticas son un buen modelo para el estudio de las rutas endocíticas. Examinamos la localización subcelular de tres maneras distintas. Primero, detectamos por técnicas de transporte y por Western blot la expresión de CNT1 y CNT2 en fracciones enriquecidas en membranas plasmáticas canaliculares y basolaterales. Segundo, determinamos la cantidad proteica y la distribución de CNT1 y CNT2 en fracciones purificadas de endosomas de hígado de rata, mediante utilización de anticuerpos contra estos transportadores. Tercio, por técnicas de microscopía electrónica. Estos estudios indican que el transportador de nucleosidos CNT1 llega en la membrana canalicular, en la cual el transportador es biológicamente activo, por una ruta indirecta a través de la membrana basolateral. Su inserción se realiza cerca de microdominios especializados enriquecidos en caveolas. CNT2 se detecta de manera casi exclusiva en preparaciones enriquecidas en membranas plasmáticas basolaterales en las cuales el transportador es activo. Estos estudios nos indican que los dos transportadores CNT1 y CNT2 tienen una ubicación diferente en células hepáticas, por lo que estos dos transportadores parecen estar diferencialmente regulados. En la segunda parte de esta tesis examinamos las interacciones entre el transportador concentrativo de adenosina CNT2 y los receptores purinérgicos. Las células hepáticas previamente tratadas, a corto plazo, con el agonista del receptor A1, (-)-N(6)-(2-phenylisopropyl)adenosine (RPIA) produce el incremento de la actividad de transporte de CNT2. Este efecto se inhibe en presencia de inhibidores de los canales KATP y se mimetiza en presencia de activadores de dichos canales. Estos estudios revelan que en células hepáticas, la actividad de transporte de CNT2 se regula por activación de los receptores A1, vía los canales KATP. Se ha demostrado también que la inducción de la actividad de transporte de CNT2 mediante la apertura de los canales KATP es dependiente de la activación de la PKC. Por ultimo, observamos que la glicemia y el metabolismo de la glucosa podrían afectar la regulación purinérgica de CNT2 ya que la inducción de la actividad de CNT2 mediante el receptor A1 puede ser modulada con la concentración en glucosa del medio. Estudiamos en la tercera parte de esta tesis el papel del óxido nítrico y de la PKC en la activación post-traduccional de CNT2 en células hepáticas. Medimos la actividad de transporte de CNT2 en células Fao y en cultivo primario de hepatocitos después de incubar las células con diferentes activadores e inhibidores de la óxido nítrico sintasa (NOS). El resultado fue que la inhibición de la NOS provoca un aumento de la actividad de transporte de CNT2 de un 60%. Mediante inhibidores de la actividad de la PKC y bloqueadores de los canales KATP, determinamos que la disminución de la concentración intracelular de óxido nítrico contribuye en la activación, a corto plazo, del transportador CNT2 mediante la activación, independientemente de la PKC, de los canales KATP. / INGLÉS:The first part of this these study of the subcellular localization and trafficking of CNT1 and CNT2 in rat hepatocytes. These studies indicated that the Na+-dependent nucleoside transporter CNT1 is present in a caveolin-enriched plasma membrane fraction (CEF), in transcytotic endosomes, and in canalicular membranes isolated from quiescent rat liver in which the transporter appears to be biologically active. Plasma membrane preparations enriched in basolateral markers showed Na+-dependent nucleoside transport activity that is mostly, if not exclusively, accounted for by CNT2, a transporter protein that it is not detected in CEF nor in the endosomal fractions. The two CNT transporters are spatially segregated and that this is due to their localization being regulated by distinct trafficking pathways in hepatocytes. CNT1 as being the first transporter that follows the transcytotic pathway for insertion into the apical side of liver parenchymal cells. The second part is focused on interactions between CNT proteins and purinergic receptors. These studies reveal a novel mechanism of regulation of the high affinity concentrative adenosine transporter, CNT2, via activation of adenosine A1 receptor in liver. This regulation is mediated by the activation of ATP-sensitive K(+) (K(ATP)) channels. The transient increase in CNT2-mediated transport activity triggered by (-)-N(6)-(2-phenylisopropyl)adenosine is fully inhibited by K(ATP)-channel blockers and mimicked by a K(ATP) channel opener. The extent of the purinergic modulation of CNT2 can be modulated by the glucose concentration, a finding that indicates that glycemia and glucose metabolism may affect this cross-regulation among A(1)R, CNT2, and K(ATP) channels. The third part involves a study of the effects of endogenous nitric oxide (NO) synthesis on the concentrative adenosine transporter, CNT2. Inhibition of endogenous NO synthesis (using either L-NAME and L-NMMA) in hepatoma FAO cells and in primary cultures of rat hepatocytes increases the functional activity of CNT2. This effect can be reversed by the addition of NO donors. Unlike the purinergic-mediated response, the activation triggered by NO inhibitors is poorly dependent on extracellular glucose, although interestingly, it can still be inhibited by the addition of K(ATP) channels blocker, glibenclamide.

Els transportadors heteromèrics d'aminoàcids (HATs) estan formats per dues subunitats: una subunitat pesada (HSHAT) i una subunitat lleugera (LSHAT) unides per un pont disulfur. Mutacions en algun dels seus membres són responsables d'aminoacidúries hereditàries, com la lisinúria amb intolerància a proteïnes (LPI) o la cistinúria. Es coneixen dues HSHATs: 4F2hc i rBAT que són glicoproteïnes de membrana de tipus II amb un domini intracel·lular N-terminal, un domini transmembrana i un gran ectodomini C-terminal.Aquesta tesi recull els resultats obtinguts a partir de l'expressió en E. coli i la posterior purificació de l'ectodomini de 4F2hc (4F2hc-ED) humà. El principal resultat és la resolució de l'estructura tridimensional d'aquest domini de la proteïna mitjançant cristal·lització i difracció de raigs X. S'han resolt dos tipus de cristalls, un de monoclínic a 2,1 Å (amb una molècula en la unitat asimètrica) i un d'ortoròmbic a 2,8 Å (amb dues molècules en la unitat asimètrica coordinant un àtom de zinc). 4F2hc-ED té una estructura molt semblant a les α-glucosidases de bacteris i consta d'un domini A, que és un barril (β/α)8 o barril TIM i un domini C, format per 8 fulles beta antiparal·leles. El treball presenta l'estructura de 4F2hc-ED i la compara amb les estructures conegudes de glucosidases de bacteris. També es presenta un model estructural per a rBAT, l'altra subunitat pesada dels transportadores heteromèrics d'aminoàcids. Però la producció i purificació d'aquesta proteïna ens ha permès realitzar, també, estudis de funció i interacció amb altres molècules. L'homologia amb les α-glucosidases de bacteris ens han portat a provar activitats relacionades amb aquests enzims. En aquest sentit s'han usat substrats per determinar l'activitat α-glucosidasa i s'han fet estudis d'interacció amb glúcids, sense èxit. L'estudi de l'estructura revela una superfície de càrregues polaritzada, amb una superfície carregada positivament al voltant de l'N-terminal (al voltant del coll que uneix l'ectodomini amb el domini transmembrana) que s'hipotetitza que interaccionaria amb els caps polars de la membrana cel·lular i ens dóna una idea de com podria aquesta proteïna interaccionar amb altres proteïnes com les LSHATs.Aquesta tesi aporta informació per a l'estudi estructura-funció d'aquests transportadors, però també per a l'estudi de les diferents funcions i processos en els quals 4F2hc ha estat vinculat en la literatura, com activació d'integrines i tumorigènesis. Finalment es discuteix sobre l'existència fisiològica del homodimer de l'ectodomini descobert en el cristall ortoròmbic i el paper de la coordinació de zinc. / The heteromeric amino acid transporters (HATs) are composed by two subunits: a heavy subunit (HSHAT) and a light subunit (LSHAT) linked by a disulfur bridge. Mutations in some of their members are responsible for two aminoaciduries: lisinuric protein intolerance (LPI) and cystinuria. There are two described HSHATs, 4F2hc and rBAT and they are a type II membrane glycoprotein, with an intracellular domain N-terminal, a transmembrane domain and a bulky ectodomain C-terminal.This thesis gathers the results obtained from the expression in E. coli and subsequent purification of human 4F2hc ectodomain (4F2hc-ED). The main result is the resolution of the three-dimensional structure of this domain using crystallization and x-ray diffraction. We solved two structures from two different crystal forms: a monoclinical at 2.1 Å (with one molecule in the asymmetric unit) and an orthorhombic at 2.8 Å (with a homodimer in the asymmetric unit coordinating a zinc atom). The 4F2hc-ED structure is very similar to bacterial α-glucosidases and is composed by two domains: a A domain with is a (β/α)8 barrel or TIM barrel architecture, and a C domain formed for eight antiparallel beta sheets. This work presents the structure of the 4F2hc ectodomain and compares it with known structures of bacterial α-glucosidases. Furthermore, a 3D model for rBAT is shown and compared with 4F2hc-ED and α-glucosidase structures. We tested the α-glucosidase activity of the purified domain using α-amylase substrates. Unfortunately, the results were negative in all cases. This thesis contributes in a better understanding of the structure-function relationships of the HATs, but also for the study of the different physiological implications of 4F2hc described in the literature, like integrin activation and tumorigenesis. Finally, the physiological existence of the homodimer of the ectodomain and the role of the zinc coordination, found in the orthorhombic crystal, is discussed. We suggest a model for interaction of 4F2hc-ED with cell membrane.

Els transportadors del sistema L faciliten el moviment d'aminoàcids grans i neutres a través de les membranes cel·lulars. Fins el moment es coneixien 3 proteïnes capaces d'induir aquesta activitat de transport: LAT1, LAT2 i LAT3. En aquets treball s'ha identificat LAT4, un nou transportador d'aminoàcids de la família SLC43 que guarda un 57% i un 30% d'identitat amb LAT3 i EEG1, els altres dos membres de la família. La proteïna es glicosila i arriba a la membrana plasmàtica de les cèl·lules HeLa i dels oòcits de Xenopus laevis quan es sobreexpressa. El RNA missatger de LAT4 s'expressa majoritàriament a placenta, intestí i ronyó. Més concretament, mitjançant hibridació in situ, hem detectat el missatger de LAT4 a cèl·lules dels túbuls distals i dels conductes col·lectors del ronyó, i a les cèl·lules de la cripta i la base de l'enteròcit a l'intestí prim. L'expressió de LAT4 en oòcits de Xenopus laevis indueix una activitat de transport d'aminoàcids neutres i grans; sodi, clorur i pH independent i que s'inhibeix per l'anàleg d'aminoàcids no metabolitzable BCH. Aquestes propietats concorden amb el subsistema prèviament descrit L2 i afegeixen un quart transportador responsable de l'activitat del sistema L. L'activitat de transport induïda, no és transestimulable, i possiblement es tracti d'un mecanisme de difusió facilitada. El transport induït per LAT4 mostra una cinètica de dos components, on les constants d'afinitat són de 4,7+/-0,5 mM i 178+/-29 mil.limicres pel component de baixa i alta afinitat, respectivament. L'agent alquilant de grups sulfidrils, N-etilmaleïmida (NEM) inhibeix parcialment l'activitat de transport induïda per LAT4 i efecte específicament el component de baixa afinitat. A més a més, hem identificat el mutant LAT4 S297A insensible al pretractament amb NEM. Al model cel·lular de ronyó PCT, es detecta una activitat de transport de baixa afinitat a la cara basolateral compatible amb la descrita per LAT4.EEG1, el tercer membre de la família SLC43, es glicosila i expressat en sistemes heteròlegs arriba a la membrana plasmàtica de la cèl·lula, però no indueix activitat de transport pels aminoàcids assajats. El RNA missatger de EEG1 es detecta majoritàriament a cor, fetge, i en menor grau a ronyó, pulmó i placenta, tant en teixits humans com de ratolí. S'ha generat un anticòs contra la proteïna que permet la seva detecció a ronyó, intestí i pulmó amb diferents patrons de glicosilació. També s'ha generat un model murí amb EEG1 mutat, mitjançant l'exposició a l'agent altament mutagènic etilnitrosurea (ENU). La mutació puntual detectada, introdueix un codó stop prematur concretament a la posició de la tirosina 221, que trunca la proteïna aproximadament a la meitat. Els ratolins homozigots per la mutació són viables, fèrtils i segueixen una herència mendeliana. No existeixen diferències pel que fa al pes dels animals mutants i control. No hiperexcreten aminoàcids en orina, ni tenen nivells elevats d'aminoàcids en sang. Presenten alteracions histopatològiques al ronyó i al fetge. Suggerim que EEG1 no té un paper rellevant en la reabsorció renal d'aminoàcids sense descartar una possible compensació per altres transportadors. / System L amino acid transporters mediate the movement of bulky neutral amino acids across cell membranes. Until now, three proteins that induce system L activity have been identified: LAT1, LAT2 and LAT3. In the present study we identify a new cDNA, designated LAT4, which also mediates system L activity when expressed in Xenopus laevis oocytes. Human LAT4 exhibits 57% identity to human LAT3 and 30% to EEG1. LAT4 protein is glycosylated and reaches plasma membrane in HeLa cells and Xenopus oocytes when LAT4 is overexpressed. LAT4 mRNA is expressed mainly in placenta, small intestine and kidney. In situ hybridization experiments show that LAT4 mRNA is restricted to the epithelial cells of distal tubule and the collecting duct in the kidney and in the cells of the crypt in the intestine. Like LAT3, the amino acid transport activity induced by LAT4 is sodium-, chloride- and pH-independent, is not trans-stimulated, and shows two kinetic components. The low affinity component of LAT4 induced activity is sensitive to the sulfhydryl-specific reagent N-ethylmaleimide (NEM) but not that with high affinity. Mutation in LAT4 of the SLC43 conserved S 297 to A abolishes sensitivity to NEM.EEG1, the third member of SLC43 is glycosylated and when is expressed in heterologous system it reaches the plasma membrane. EEG1 mRNA is expressed mainly in heart and liver, but also is present in kidney, lung and placenta. We generated an antibody able to recognize EEG1 from kidney, small intestine and lung with different patterns of glycosylation. We also generated an EEG1 mutated mouse model caused by the chemical mutagen N-ethyl-N-nitrosurea (ENU) which introduced a point mutation resulting in a truncated protein in amino acid position 221. The homozygous mutant mice were born at normal Mendelian ratios when intercrossing between the heterozygous mice, indicating that there was no embryonic mortality in the mutant animals. Homozygous mice do not hyperexcrete any amino acid in urine and no high level of amino acids in plasma were found. Histopathological studies of the kidney and liver reveal damage alterations in both tissues.

Els nucleòsids poden ser modificats estructuralment amb l'objectiu de generar compostos farmacològicament actius en el tractament de tumors sòlids i malalties limfoproliferatives. Aquests fàrmacs són internalitzats a través dels transportadors de nucleòsids, pel que la dotació de transportadors en les cèl.lules tumorals pot determinar la seva acció citotòxica. En base a aquestes dades l'objectiu d'aquesta tesi doctoral ha estat analitzar el paper dels transportadors de nucleòsids en la sensibilitat a fàrmacs antineoplàsics derivats de nucleòsids, especialment en el tractament de malalties limfoproliferatives. La primera part de l'estudi va suposar la caracterització cinètica dels transportadors presents en la línia cel.lular derivada de leucèmia pro-limfocítica JVM-2, així com dels transportadors responsables de la captació de l'anàleg de nucleòsid fludarabina. Posteriorment, l'estudi es va estendre a la determinació dels nivells d'ARNm, proteïna i activitat dels transportadors de nucleòsids presents en cèl.lules de pacients de leucèmia limfàtica crònica. Paral.lelament, es va mesurar la seva sensibilitat a la fludarabina amb l'objectiu de determinar si existia algun tipus de correlació entre el transport i la citotoxicitat. Les dades obtingudes van demostrar que els nivells de proteïna d'hENT2 podien ser predictius de la sensibilitat a la fludarabina en la leucèmia limfàtica crònica. Per complementar els resultats obtinguts, es va realitzar un estudi equivalent amb línies cel.lulars derivades de limfoma de mantell, amb l'objectiu de comprovar el paper diferencial dels transportadors de nucleòsids equilibratius en la sensibilitat a anàlegs de nucleòsids en funció del tipus de malaltia i del fàrmac administrat. En aquest cas, va ser el transportador hENT1 el que es correlacionava amb la sensibilitat a la gemcitabina. Així doncs, atenent al paper que juguen els transportadors equilibratius en la sensibilitat a fàrmacs derivats de nucleòsids es va avaluar el paper del transportador hENT1 en la resposta transcripcional associada a la teràpia amb fluoropirimidines mitjançant la utilització de microarrays d'ADN. Com a model es va utilitzar la línia cel.lular derivada de tumor de mama MCF7, pel que inicialment es va realitzar una caracterització dels transportadors de nucleòsids presents en la línia, així com de les isoformes responsables de la captació de l'anàleg de nucleòsid 5'-desoxi-5-fluorouridina. L'avaluació del paper d'hENT1 es va realitzar mitjançant la inhibició farmacològica de la seva activitat amb NBTI. Els canvis d'expressió gènica obtinguts mitjançant els experiments de microarrays d'ADN van demostrar que la inhibició d'hENT1 bloqueja total o parcialment els canvis transcripcionals associats a l'acció del 5'-DFUR. Per tant, els resultats obtinguts demostren que els transportadors de nucleòsids equilibratius juguen un paper important en la sensibilitat a fàrmacs antineoplàsics derivats de nucleòsids. / ROLE OF EQUILIBRATIVE NUCLEOSIDE TRANSPORTERS IN SENSITIVITY TO ANTINEOPLASIC DRUGSNucleoside-derivatives are currently used in the treatment of tumours and hematological malignancies. Although intracellular events involved in the pharmacological action of these compounds have been extensively studied, the role of plasma membrane transporters in nucleoside-derived drug bioavailability and action in cancer cells has not been comprehensively addressed. We examined the expression patterns and activity of nucleoside transporters in chronic lymphocytic leukaemia (CLL) patients and correlated them with in vitro fludarabine cytotoxicity. Among the known plasma membrane transporters, we observed a significant correlation between fludarabine uptake via ENT carriers and ex vivo sensitivity of CLL cells to fludarabine. Moreover, western blot results suggested a role of hENT2 in fludarabine responsiveness in CLL patients. A similar study was performed using mantle cell lymphoma (MCL) cells. In this case we found a significant correlation between protein and mRNA levels of hENT1, drug uptake and sensitivity to gemcitabine. Finally, we addressed the question of whether equilibrative nucleoside transporters contribute to the transcriptomic response associated with nucleoside-derived drug therapy. For this reason, we used a pharmacogenomic approach to determine which are the intracellular targets of 5'-DFUR action in breast cancer cell line MCF7 and how inhibition of hENT1 function contributes to the transcriptomic response. The study identified selected gene targets of 5'-DFUR action in a breast cancer cell model, and highlighted the relevant role hENT1-mediated drug uptake plays in drug action. Therefore, the results obtained further support that equilibrative nucleoside transporters are implicated in the therapeutic response to nucleoside analogues.

Els transportadors de nucleòsids són fonamentals en la regulació de molts processos fisiològics, modulant els nivells extra- i intracel·lulars dels substrats que internalitzen però a la vegada representen el camí d'entrada de molts anàlegs citotòxics utilitzats en la quimioteràpia i teràpies antivirals. En aquesta tesi s'han dut a terme diversos estudis amb l'objectiu d'intentar determinar mecanismes implicats tant en la localització subcel·lular així com en la regulació dels transportadors de nucleòsids. Així, s'ha demostrat que les diferents isoformes de transportadors de nucleòsids es regulen de manera diferencial en funció dels requeriments de la cèl·lula. Concretament, els resultats obtinguts en un model cel·lular d'epiteli intestinal han demostrat que el transportador equilibratiu ENT1 és sensible a factors proliferatius i en canvi l'expressió i activitat dels transportadors concentratius CNT1 i CNT2 responen a factors que afavoreixen la diferenciació de les cèl·lules. Addicionalment, s'ha posat de manifest que l'activitat del transportador CNT2 està regulada a curt termini per la disponibilitat dels seus substrats mitjançant un mecanisme que no depèn de canvis en la localització subcel·lular del transportador sinó que implica una disminució de la seva afinitat. D'altre banda s'ha demostrat que per l'expressió polaritzada d'aquest transportador a la membrana apical de les cèl·lules epitelials absortives és necessària una seqüència de direccionament present en el extrem N-terminal de la proteïna. Finalment, els resultats obtinguts en aquesta tesi han posat de manifest que aquests transportadors, a més de ser necessaris per mantenir les vies de recuperació o salvage podrien jugar un paper en la senyalització cel·lular. Així el transportador d'alta afinitat d'adenosina CNT2, mitjançant una relació entre el transport d'adenosina i la regulació de l'AMPK, podria participar en la complexa regulació del metabolisme energètic. / Plasma membrane transporters play a crucial role in the function of absorptive epithelia, since they mediate intestinal absorption and renal reabsorption and the secretion of numerous physiological and pharmacological compounds. Among these transport systems, nucleoside transporters are responsible for the uptake of natural nucleosides and most nucleoside-derived drugs. There are two main families of nucleoside transporters, concentrative (CNT) and equilibrative (ENT) transporters and most mammalian cells, as epithelial intestinal cells, coexpress several nucleoside transporters isoforms. In the present study, we have fully characterized the expression pattern of nucleoside transporters in two intestinal epithelial cell lines, IEC-6 and Caco-2 cells. We have analysed the regulation of these membrane transporters in IEC-6 cells upon exposure either differentiating or proliferative agents. We conclude that differentiation of intestinal epithelial cells is accompanied by an increase mature enterocytes features, such concentrative nucleoside transport (located at the brush border membrane), thus preparing the cell for its ultimate absortive function. On the contrary, proliferative stimulus up-regulate the equilibrative nucleoside transporter ENT1, known to be located at the basolateral membrane, allowing the uptake of nucleoside from the bloodstream for the increase demands of the proliferating cell. However, nucleoside transporter may not only respond to the requirement for nucleoside salvage but may also but may also play a role in cell signaling. In fact, the study shows that physiological concentrations of adenosine activate AMPK through a mechanism that requires its transport into the cell and subsequent phosphorylation, resulting in phosphorylation of the downstream AMPK target ACC. This effect is mostly dependent on the high-affinity concentrative adenosine transporter CNT2. Thus, CNT2 may therefore be considered a novel player in the complex regulation of AMPK and energy metabolism.

La información disponible acerca de los transportadores de nucleósidos concentrativos en cerebro es muy limitada, mientras que existen varios estudios acerca de los transportadores equilibrativos. La primera parte de esta tesis se centra en la localización del transportador de nucleósidos concentrativo preferente por adenosina CNT2 en cerebro y su posible regulación transcripcional, ya que su afinidad por este neuromodulador es mayor que el resto de transportadores. Se ha visto que el transcrito de CNT2 se localiza en un gran número de regiones del sistema nervioso central, principalmente en poblaciones neuronales. En concreto, se han detectado niveles moderados del transcrito en hipocampo, amígdala, capas profundas de la corteza cerebral, corteza retrosplenial y piriforme, así como en la capa molecular del cerebelo. Estudios de regulación indican que el transcrito de esta proteína varía en situaciones donde la adenosina interviene vía el receptor de adenosina A1, por ejemplo, se han realizado estudos de privación de sueño prolongado donde los niveles de adenosina son muy elevados. Así mediante muestras de cortezas cerebrales de rata a las que se les tuvo en vigilia durante 24 horas, se valoraron los niveles de transcrito de CNT2, observando una disminución de hasta un 25% respecto al control. Tras ocho horas de recuperación los niveles iniciales sólo se recuperaban de forma parcial. También mediante modelos animales a los que se les había tratado con ácido kaínico para la inducción de convulsiones, los niveles del transportador aumentan a medida que pasa el tiempo tras el tratamiento. Esto sería consistente con el hecho de que la adenosina incrementa sus niveles en situaciones patológicas vía el receptor A1 en su función de neuroprotección.La segunda parte de esta tesis consiste en el estudio de la expresión de los transportadores de nucleósidos en tejidos tumorales. Para esto se han generado y desarrollado anticuerpos específicos contra las isoformas humanas de estas proteínas que se han utilizado en el análisis de un gran número de pacientes de tumores ginecológicos y de mama. Los resultados obtenidos nos indican que la pérdida de expresión de hCNT1 es más común que la de los transportadores equilibrativos en tumores ginecológicos y esta disminución se asocia a subtipos histológicos de peor pronóstico como pueden ser tumores de célula clara o adenocarcionomas. En tumores de mama, la expresión citoplasmática y sobre todo nuclear de hCNT1 se encuentra asociada a un por pronóstico, además de encontrar correlaciones positivas entre el número de células positivas para el transportador de nucleósidos hCNT1 y algunos marcadores del metabolismo de nucleótidos como DPD y TS, y correlaciones negativas con marcadores de baja proliferación celular como bcl2 y MIB. Si tenemos en cuenta el estado del nódulo linfático y lo asociamos al número de células positivas para hCNT1 observamos que estos dos factores combinados son indicativos de un mayor riesgo de recaída. / In this study, we analysed the concentrative transporter CNT2 in the rat brain and compared it with that of ENT1. Furthermore, we evaluated their changes in a situation of increased extracellular levels of adenosine, such as sleep deprivation. CNT2 mRNA was most prevalent in the amygdala, the hippocampus, specific neocortical regions and the cerebellum. Total sleep deprivation dramatically diminished the amounts of CNT2 mRNA, whereas ENT1 mRNA remained unchanged. This decrease in CNT2 transcript suggests a new physiological role for the transporter in the modulation of extracellular adenosine levels.In this part of the study we report the characterization of 2 new antibodies raised against hENT1 and hENT2. These 2 antisera, along with a previously characterized antibody against hCNT1 have been used to analyze NT expression in gynecologic cancers: hCNT1 was by far the isoform whose expression was most frequently reduced or lost in the types of gynecologic tumors analyzed. NT expression is related to the type of gynecologic tumor and its specific subtype, hCNT1 protein loss being highly correlated with poor prognosis histotypes. We also studied ninety breast cancer patients who were treated with CMF after surgery. hCNT1 and enzymes associated with nucleotide metabolism were assessed immunohistochemically. CNT1 expression was mostly cytoplasmic, with some nuclear staining.. Nuclear staining correlated negatively with decreased disease-free survival, whereas the percentage of hCNT1-positive cells correlated positively with reduced long term survival, the hCNT1-positive index being indicative of poor prognosis. A relative risk of relapse was associated with high hCNT1-positive indexes, whereas when this parameter was combined with the nodal status (positive) a high risk of relapse was found, suggesting that both parameters may reflect a poor prognosis.

El presente trabajo de tesis doctoral se ha centrado en la determinación de la función fisiológica de la proteína desacopladora mitocondrial UCP3 en relación con la apoptosis y las especies reactivas de oxígeno (ROS). UCP3 es un miembro de la familia de transportadores mitocondriales que se expresa preferencialmente en el músculo esquelético. UCP3 es una proteína homóloga a la termogenina o proteína desacopladota UCP1. Ésta se expresa exclusivamente en tejido adiposo marrón dónde desempeña una función esencial en la termogénesis adaptativa, desacoplando la respiración mitocondrial de la fosforilación oxidativa con la consiguiente generación de calor. Así, como homólogo de la termogenina UCP3 podría desarrollar una actividad desacoplante mitocondrial influenciando el metabolismo energético celular, sin embargo su función biológica exacta continúa siendo fruto de controversia. En un primer trabajo, demostramos como la expresión ectópica de UCP3 en células de riñón humanas (293 HEK) mediante un sistema de expresión inducible sensible a tetraciclina, es consistente con un papel desacoplante mitocondrial de la proteína en la mitocondria de estas células. Observamos que la expresión de UCP3 no induce apoptosis directamente pero incrementa la sensibilidad a un agente inductor de apoptosis dependiente de vías de activación mitocondriales como es la staurosporina. Además, la inducción de UCP3 amuenta la sensibilidad del MPTP (mitochondrial transition pore) al calcio, facilitando la apertura del poro lo que se considera un evento crucial en la apoptosis dependiente de regulación mitocondrial. Estos datos sugieren una función de UCP3 en la regulación de la actividad del MPTP y sugieren que la presencia de UCP3 en la mitocondria sensibiliza a las células a los estímulos pro-apoptóticos que dependen de vías mitocondriales. Tras la obtención de los mencionados resultados, procedimos a inducir la expresión ectópica de UCP3 in vivo utilizando vectores adenovíricos dirigidos al hígado de ratón. El hígado normal no expresa ninguna proteína desacoplante y constituye por tanto un entorno ideal para determinar la función de UCP3. Resultados preliminares sugieren que la expresión ectópica de UCP3 no altera significativamente a parámetros metabólicos como la producción de ROS, aunque hallamos una estimulación de la apertura del MPTP en respuesta al calcio. Estos resultados procedentes de los estudios in vivo corroboran nuestros resultados previos obtenidos en líneas celulares en cultivo.Se cree que las proteínas desacoplantes podrían controlar la producción de ROS gracias a su capacidad para promover un desacoplamiento suave en la membrana mitocondrial interna. Hemos estudiado la función de UCP3 en su entorno natural de expresión, la célula del músculo esquelético, concretamente en lo que hace referencia a la muerte celular programada o apoptosis y las especies reactivas de oxígeno. Se demuestra que la expresión e UCP3 en miotubos no disminuye la producción de ROS, sino que incluso se incrementa en respuesta a un agente inductor de ROS como es la staurosporina. Igualmente, encontramos una sobreestimulación de la producción de ROS en respuesta a elevadas concentraciones de ácidos grasos, una situación en la que se estimula la expresión y actividad de las proteínas desacoplantes. Las ceramidas son productos secundarios del acúmulo de ácidos grasos capaces de inhibir la actividad de la cadena respiratoria mitocondrial. Los desacoplantes químicos pueden incrementar la producción de ROS en aquéllas situaciones en que la cadena respiratoria se encuentra inhibida. Pensamos que la sobre-inducción de ROS que observamos en presencia de UCP3 se deba a la acción conjunta de la proteína las ceramidas sobre la actividad respiratoria. Concluimos que UCP3 se comporta en los miotubos de forma compatible con una actividad desacoplante, promoviendo una sensibilización a la producción de ROS en respuesta a ciertos estímulos de estrés, como pueden ser un agente pro-apoptótico o elevadas concentraciones de ácidos grasos. Además, UCP3 promueve una sensibilización de la célula a la muerte programada inducida por estímulos dependientes de regulación mitocondrial. El análisis de la función de UCP3 en su entorno natural de expresión, el músculo esquelético, supuso además una profunda caracterización del comportamiento de la célula muscular ante los estímulos pro-apoptóticos. / My work of thesis has been focused on determining the role of mitochondrial uncoupling protein 3 (UCP3) in relation to apoptosis and reactive oxygen species (ROS). The mitochondrial uncoupling protein-3 is a member of the mitochondrial carrier protein family that is preferentially expressed in skeletal muscle. As a homologue of the thermogenic brown fat uncoupling protein-1, it possesses a mitochondrial uncoupling activity and thus can influence cell energy metabolism but its exact biological function remains unclear. We have previously proved that the induced expression of uncoupling protein-3 in the mitochondria of 293 cells using a tetracycline-inducible system was in agreement with its expected physiological behavior as an uncoupling protein (UCP). We observed that Uncoupling protein-3 expression did not cause apoptosis per se but increased the responsiveness of the cells to a mitochondrial apoptotic stimulus such as staurosporine, an apoptosis-inducer dependant on mitochondrial pathways. Moreover, the induction of uncoupling protein-3 increased the sensitivity of mitochondria to open the permeability transition pore (MPTP) in response to calcium, a well-known inducer of its opening which is a critical event in mitochondrial-driven apoptosis. This suggested for first time a role for UCP3 in cthe regulation of this channel activity. We could conclude that the presence of uncoupling protein-3 in mitochondria sensitizes cells to apoptotic stimuli involving mitochondrial pathways. Then, we induced in vivo ectopic expression of UCP3 in the liver of mice, using an adenoviral vector. Although preliminary, our results suggest that ectopic UCP3 expression is not significantly affecting to metabolic parameters or ROS production, but it is, as it happened in 293 cells, enhancing sensitivity of MPTP to its opening, corroborating our previous results. We are now characterizing the biochemical behaviour of UCP3 in the liver to finish a manuscript compelling all these results.Uncoupling proteins are thought to control ROS production due to their capacity to promote a mild uncoupling of the inner mitochondrial membrane. We have been studying UCP3 function in its natural environment of expression, the skeletal muscle cell. We have proved that UCP3 expression in myotubes does not decrease ROS production even in response to ROS-inducing agents such as staurosporine. In fact, it promotes enhanced ROS production in response to high fatty acid concentration. Ceramides are secondary products of fatty acid accumulation and can inhibit respiratory chain activity. Chemical uncouplers are known to increase ROS production in situations in which respiratory chain is inhibited. We are therefore currently exploring the possibility that ROS over-production could be due to the overlapping action of ceramides and UCP3.As a whole, we have demonstrated an involvement of UCP3 in apoptosis regulation and in the modulation of ROS production besides of performing a deep characterization of apoptosis responsiveness within skeletal muscle cell.

La familia de transportadores heteroméricos de aminoácidos posee la característica única de estar compuestos por dos subunidades: una subunidad pesada y una subunidad ligera unidas por un puente disulfuro. Mutaciones en alguno de sus miembros son responsables de aminoacidurias hereditarias, como la lisinuria con intolerancia a proteínas (LPI) o la cistinuria. Al inicio de esta tesis, nos propusimos identificar alguna nueva subunidad ligera humana de esta familia. Mediante búsqueda por homología de secuencia se clonó el cDNA correspondiente a una nueva proteína altamente homóloga a una proteína de ratón asociada al sistema de transporte xc-. La caracterización funcional confirmó que xCT humano, en combinación con 4F2hc, induce una actividad de transporte de cistina y glutamato, con sodio-independencia (sistema xc-). Los perfiles de captación de los sustratos en función del pH del medio de transporte indican que tanto el L-glutamato como la L-cistina son transportados de forma aniónica, cada uno con una carga negativa neta. Por experimentos de salida de sustrato se determinó el carácter intercambiador de este transportador, con una estequiometría de 1:1.El patrón de expresión de xCT humano por Northern blot muestra una ligera banda presente únicamente en cerebro. Experimentos de RT-PCR también resultaron positivos para los islotes pancreáticos y líneas celulares correspondientes a líneas epiteliales y tumorales, mientras riñón e hígado no mostraron ninguna señal. El papel fisiológico de xCT parece estar implicado en la captación de cistina para la síntesis de glutatión y su mantenimiento, dándole un papel relevante en situaciones de estrés oxidativo. A continuación se abordó la determinación de la topología de xCT como modelo de subunidad ligera. Experimentos de inmunodetección evidencian la localización intracelular de los dos extremos de la proteína. Utilizando la estrategia de introducir cisteínas individuales en los distintos loops y testar su accesibilidad a reactivos tiol-específicos, la topología de xCT es compatible con un modelo de 12 dominios transmembrana. Los resultados obtenidos en la zona IL2-3, con dos residuos de accesibilidad exterior (el 110 y 112) flanqueados por residuos de accesibilidad interior (el 102, 109 y 116) en un rango de 15 aminoácidos nos hacen pensar en una estructura de reentrant loop, con el residuo H110 como ápice. El hecho que estas estructuras suelen ser zonas asociadas a la ruta de paso del sustrato del transportador, nos llevó a estudiar la implicación del residuo H110. En resumen, los resultados muestran que i) la biotinilación del residuo H110C se bloquea por los sustratos y el inhibidor no transportable 4SCPG; ii) la inactivación provocada por MTSES en el transporte de h110c también es protegida por los sustratos con una IC50 similar a la Km para cada sustrato; iii) esta protección es independiente de temperatura, y por tanto no implica grandes cambios conformacionales; y iv) aunque los mutantes H110C y H110D no alteraron la Km del transportador ni su especificidad de sustrato, la sustitución por una lisina inactiva totalmente la función de xCT. Por tanto, tenemos evidencias de que H110 se encuentra cercano al lugar de unión al sustrato o ruta de paso del mismo. Estos resultados pueden encontrarse en las publicaciones siguientes: J Biol Chem (2004) vol. 279, 31228-36, J Biol Chem (2004) vol. 279, 11214-21, y Pflugers Arch. (2001) vol. 442 (2) 286-296. ENGLISH / The family of heteromeric amino acid transporters has the particular characteristic of being composed of two proteins: a light subunit (LSHAT) and a heavy subunit (HSHAT) linked by a disulfide bridge. Some of its members are associated with hereditary aminoacidurias. Characterisation of a new human LSHAT, responsible for transport system xc-, is reported here. Human xCT associates with 4F2 heavy chain and induces cystine/glutamate exchange with sodium independence and 1:1 molar ratio. Topology studies using immunodetection and substituted cysteine accessibility method reveal a model compatible with 12 transmembrane domains and intracellular N and C-terminus. The results obtained in the intracellular loop between 2 and 3 transmembrane domain (IL2-3), with two residues of extracellular accessibility (110 and 112) flanked by residues of intracellular accessibility (the 102, 109 and 116) in a rank of 15 amino acids, resembles the structure of a reentrant loop with apex in position H110. The fact that these structures are usually associated with the substrate pathway through the transporter, lead us to further studies with residue H110.In summary, the results on that position show that: i) biotinylation of H110C is blocked by its substrate and the non-transportable inhibitor 4-S-carboxiphenyl-glycine (4-S-CPG); (ii) the inactivation caused by MTSES in the transport of mutant H110C is also protected by each substrate with a IC50 similar to the Km; (iii) this protection is independent of temperature, and therefore it does not imply great conformational changes; and (iv) although mutants H110C and H110D did not alter the Km of the transporter nor their specificity of substrate, the substitution by a lysine inactivates the function of xCT totally. Therefore, we conclude that residue H110 resides near the binding site/translocation pathway of the substrates in the transporter xCT. These results can be found in the following publications: J Biol Chem (2004) vol. 279, 31228-36, J Biol Chem (2004) vol. 279, 11214-21, y Pflugers Arch. (2001) vol. 442 (2) 286-296.