La Fibrosi Quística (FQ; MIM# 219700) és una de les malalties letals més comuns en les poblacions d'origen caucàsic, amb herència autosòmica recessiva. El seu fenotip clínic es caracteritza per l'acumulació de moc viscós en òrgans exocrins, amb conseqüències patològiques en el tracte respiratori, gastrointestinal i urogenital. Mutacions al gen CFTR (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator ABCC7; MIM# 602421) són responsables de la malaltia. Fins al moment, ja s'han descrit més de 1600 mutacions en el gen CFTR. La gran majoria són mutacions puntuals de les quals: 42% són mutacions de sentit erroni (missense).El gen CFTR codifica per una proteïna de membrana de 1480 aminoàcids, que pertany a la gran família dels transportadors ABC. La proteïna CFTR presenta una estructura simètrica, formada per dos motius repetits, cadascun d'ells format per una regió transmembrana (TMD), composada per sis α-hèlix, i una regió citosòlica hidrofílica d'unió a ATP (NBD). Aquests dos motius queden units mitjançant un domini regulador (R), citosòlic i hidrofílic, que és fosforila per PKA i PKC. El paper principal que desenvolupa el canal CFTR en la part apical de les cèl·lules epitelials és el transport de fluid transepitelial i electròlits a través de la membrana, activitat que ve regulada directament per la fosforilació de PKA. Aquest canal permet el trànsit d'ions de clorur a través d'ell en qualsevol direcció, i es caracteritza per tenir una baixa conductància unitària (la seva conductància és de 7-10 pS).Existeixen moltes evidències en la literatura on les mutacions de sentit erroni, independentment de la seva localització en el gen CFTR, poden afectar a la funció del canal CFTR a diferents nivells: biogènesi de la proteïna, transport i localització, propietats electrofisiològiques del canal.Així que l'objectiu general de la tesi va ser l'anàlisi molecular i funcional de vuit mutacions amb sentit erroni (p.P5L, p.S50P, p.E60K, p.R75Q, p.G85E, p.G85V, p.Y89C, p.E92K) localitzades en la regió N-terminal de CFTR, i identificades majoritàriament a la població espanyola.Per portar a terme els objectius de la tesi, es van generar les vuit mutacions per mutagènesi dirigida en el vector pCMVCFTRNot6.2wt, i es van expressar en cèl·lules epitelials HEK293. Es va analitzar el processament i patró de maduració de les proteïnes mutants per Western blot i la seva localització cel·lular per immunocitoquímica. I posteriorment, es van caracteritzar funcionalment els canals mutants mitjançant la tècnica de Patch clamp en configuració whole cell i excised inside-out.Vam observar que cinc de les mutacions analitzades, p.S50P, p.E60K, p.G85E, p.G85V i p.E92K, provoquen un processament i una maduració incorrecte de la proteïna. Totes cinc presenten un comportament molt similar a la mutació p.F508del, podent-se classificar aquestes mutacions dins la classe II.La mutació p.P5L afecta a la funció de CFTR a dos nivells: a nivell de la biogènesi i a nivell de l'activitat del canal. Aquesta mutació provoca una disminució de la densitat de canals a la membrana citoplasmàtica. La conductància i la cinètica del canal també s'alteren. La proteïna mutant p.Y89C afecta a l'activitat del canal. Aquesta mutació altera específicament la cinètica del canal. El canal CFTR corresponent a la mutació p.R75Q presenta un patró de maduració i un comportament funcional del canal anàleg a la proteïna CFTR no mutada. Els nostres estudis corroboren la classificació de p.R75Q com a mutació sense expressió clínica.El comportament sever de la majoria de les mutacions avaluades, afectant la biogènesi i/o l'activitat del canal, ressalta la importància funcional de la cua N-terminal i del segment TM1 en la fisiologia de CFTR. / Over 1,600 cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) gene sequence variations have been identified in patients with cystic fibrosis (CF) and related disorders involving an impaired function of the CFTR chloride channel. However, detailed structure-function analyses have only been established for a few of them.This study aimed evaluating the impact of eight N-terminus CFTR natural missense changes on channel behavior. By site-directed mutagenesis, we generated four CFTR variants in the N-terminal cytoplasmic tail (p.P5L, p.S50P, p.E60K, and p.R75Q) and four in the first transmembrane segment of membrane-spanning domain 1 (p.G85E/V, p.Y89C, and p.E92K). Immunoblot analysis revealed that p.S50P, p.E60K, p.G85E/V, and p.E92K produced only core-glycosylated proteins. Immunofluorescence and whole cell patch-clamp confirmed intracellular retention, thus reflecting a defect of CFTR folding and/or trafficking. In contrast, both p.R75Q and p.Y89C had a glycosylation pattern and a subcellular distribution comparable to the wild-type CFTR, while the percentage of mature p.P5L was considerably reduced, suggesting a major biogenesis flaw on this channel. Nevertheless, whole-cell chloride currents were recorded for all three variants. Single-channel patch-clamp analyses revealed that the channel activity of p.R75Q appeared similar to that of the wild-type CFTR, while both p.P5L and p.Y89C channels displayed abnormal gating. Overall, our results predict a major impact of theCFTR missense variants analyzed, except p.R75Q, on the CF phenotype and highlight the importance of the CFTR N-terminus on channel physiology.

La fibrosis quística (fq) es la enfermedad autosómica recesiva más frecuente en la población caucasoide con una frecuencia de portadores de 1/25. Las manifestaciones clínicas más importantes son las infecciones crónicas recurrentes del pulmón conllevando al deterioro del mismo. En esta tesis nos propusimos corregir dos mutaciones en el gen cftr, responsable de la fq, en la linea celular de epitelio bronquial ib3.1 de genotipo (f508del/w1282x). Para ello, mediante citometría de flujo y microscopía confocal pusimos a punto la incorporación no viral (vectores pei, geneporter y citofectina) de oligonucleótidos modificados (quimeraplastos y oligonucleótidos fosforotioato) y de fragmentos sfhr en estas células. Los quimeraplastos son oligonucléotidos quiméricos de rna y dna y los oligonucleótidos fosforotioato contienen enlaces fosforotioato para evitar su degradación además de enlaces fosfodiéster. Ambos, son capaces de estimular los mecanismos de reparación intrínsecos de las células para corregir a nivel de dna mutaciones puntuales. Los fragmentos sfhr (small fragment homologous replacement) son fragmentos de pcr de longitud variable con la secuencia salvaje del gen que se intercambian con las secuencias genómicas diana mutadas por recombinación homóloga para revertir mutaciones puntuales (cambios de 1 nucleótido, pequeñas inserciones o deleciones). Para estimar el porcentaje de corrección génica adaptamos la técnica diagnóstica de pcr-ola a nuestro modelo para utilizarla como metodología de cuantificación. Además, hemos confirmado que las células ib3.1 tienen los mecanismos de reparación de mutaciones puntuales activos tanto por rt-pcr como por un ensayo in vitro en e.coli con el plásmido pksm4021 que contiene el gen de resistencia a ampicilina y el gen de resistencia a kanamicina inactivado por una mutación puntual. Los resultados que se publicaron en los siguientes artículos nos han permitido extraer las siguientes conclusiones: las células Ib3.1 de epitelio bronquial de fq son competentes en cuanto al sistema de reparación mmr. La incorporación celular de quimeraplastos, oligonucleótidos monocadena y fragmentos sfhr es muy eficiente en las células ib3.1. El lípido catiónico citofectina, el policatión pei y la electroporación, aunque no el lípido catiónico geneporter, son sistemas de transfección eficientes para incorporar oligonucleótidos modificados en el núcleo de las células ib3.1. Los poliplejos de pei y los lipoplejos de citofectina son internalizados por distintos mecanismos aunque en ambos casos los oligonucleótidos modificados son degradados significativamente en las células ib3.1. El análisis genescan de electroferogramas fluorescentes constituye un sistema fiable, fácil, sensible y seguro para evaluar y cuantificar la degradación intracelular y extracelular de oligonucleótidos marcados con fluorescencia en fluidos biológicos. La tecnología de pcr-ola constituye un sistema fiable y preciso de cuantificación de reparación génica aplicable a modelos celulares heterocigotos. Los fragmentos sfhr pueden actuar como cebador artefactual en las reacciones de pcr y generar un artefacto que da lugar a falsos positivos en la detección de conversión génica. Es indispensable diseñar los cebadores de detección de la modificación génica fuera de la región de homología con los fragmentos sfhr. La corrección génica de mutaciones puntuales mediada por quimeraplastos, oligonucleótidos monocadena y fragmentos sfhr es un proceso ineficiente en las células ib3.1. Será necesario estimular los mecanismos endógenos de reparación génica para incrementar la frecuencia de reparación génica hasta niveles terapéuticos en dichas células.

Aquest treball és una contribució als estudis de diversitat del genoma humà i pretén estudiar la variació genètica existent a nivell mundial en dos gens, causants de malaltia, el gen CFTR i el gen GBA, en cromosomes d'individus sans. Mutacions en aquests gens produeixen la fibrosi quística i la malaltia de Gaucher respectivament. La fibrosi quística és la malaltia autosòmica recessiva més comuna en poblacions europees. La malaltia de Gaucher és la malaltia lisosòmica d'acumulació lipídica més freqüent. L'estudi analitza la variació genètica en diferents polimorfismes d'ambdós gens; reconstrueix els haplotips i analitza la seva distribució geogràfica; i analitza l'extensió i distribució geogràfica del desequilibri de lligament entre loci. Pel gen GBA, hem ampliat la regió, abastant fins al gen PKLR (que codifica per a la piruvat quinasa). A més a més, pel cas de CFTR, pot ajudar a entendre l'origen de les mutacions més freqüents causants de fibrosi quística. / This work is a contribution to human genome diversity studies and it aims to study the world-wide genetic variation that exists in two disease genes, CFTR and GBA gene, in healthy chromosomes. Mutations in these genes are known to cause cystic fibrosis and Gaucher disease respectively. Cystic fibrosis is the most common severe autosomal recessive disease in patients of European descent. Gaucher disease is the most frequent lysosomal storage disorder. The study analyzes the genetic variation in CFTR and GBA polymorphisms; estimates haplotype frequencies and describes their geographic distribution; and measures linkage disequilibrium between loci. For GBA gene, we have extended the analysis covering PKLR gene (that encodes for a pyruvate kinase). Moreover, for CFTR gene, we have tried to understand the origin of the most common cystic fibrosis causing mutations.