CRAZY ABOUT BIOMEDICINE 2013

1r SEMESTRE

1. Arquitectura de la cèl·lula: PRIMERA PART

Francisco Freixo (Laboratori de Jens Lüders)

Les cèl·lules de tots els éssers vius tenen un «esquelet» que fa de suport per a totes les seves funcions, com ara el transport de proteïnes a través de la cèl·lula, l'organització de la forma de la cèl·lula i fins i tot la mobilitat, la migració i la divisió cel·lulars. En les cèl·lules humanes i altres cèl·lules eucariotes, aquest «citosquelet» està format per una sèrie d'estructures, com ara els «microtúbuls», que són cilindres minúsculs que es poden encongir, allargar, agrupar i distribuir per tot el citoplasma, segons les necessitats de la cèl·lula. Unes altres estructures importants del citosquelet són els «centrosomes» i els «fusos mitòtics», que fan una funció important en la divisió cel·lular, ajudant a garantir que el material genètic de la cèl·lula que es divideix sigui el mateix per a les dues noves cèl·lules. En les cèl·lules canceroses, sovint s'observa que els centrosomes i els fusos mitòtics presenten anomalies, i per això aquestes estructures resulten de gran interès en la recerca oncològica.

En aquest curs de dues parts, que s'estendrà a tots dos semestres, coneixerem els components del citosquelet i veurem per què són tan importants per a la cèl·lula. En els exercicis pràctics, us mostrarem com s'organitzen els microtúbuls dins d'una cèl·lula (en agrupacions de diversos tipus i formes) i com les cèl·lules depenen d'aquestes agrupacions. Analitzarem les molècules que regulen on i quan els diferents tipus de cèl·lules formen els seus microtúbuls, utilitzant cèl·lules de teixit en cultiu i neurones de l'hipocamp de ratolí i tècniques de microscòpia òptica de fluorescència.

Aquest curs anirà seguit d'una segona sessió en el 2n semestre, dirigit per Sabine Klischies

2. Què té a veure el dany de l'ADN amb el càncer?

Helena González (Laboratori de Travis Stracker)

L'ADN és una molècula llarga que conté «informació genètica», un manual d'instruccions codificat per a les cèl·lules. Tot el que fan les cèl·lules està codificat d'alguna manera en l'ADN. Determina, per exemple, quines cèl·lules han de créixer i quan, quines cèl·lules han de morir i quan, quines cèl·lules han de fer els cabells i de quin color han de ser. Dit senzillament, l'ADN diu a les cèl·lules com s'han de comportar correctament.

Però de vegades l'ADN «muta», que vol dir que s'ha danyat o trencat. Com a resultat, aquestes instruccions poden ser mal interpretades, i això produeix el desenvolupament de malalties com el càncer. Per sort, les cèl·lules tenen un sistema molt eficaç per a reparar aquestes lesions: la via de resposta al dany de l'ADN. La seva feina és especialment difícil tenint en compte que l'ADN està sota l'atac constant d'agents tòxics (com la radiació solar, la contaminació o el tabac). La seva funció és extremadament important perquè no reparar les lesions de l'ADN pot provocar un càncer.

Aquest curs donarà pistes importants per comprendre la relació entre els factors que causen el dany a l'ADN i el desenvolupament del càncer. També tindrem l'oportunitat de veure què passa dins del nucli d'una cèl·lula després que hagi estat danyada. Pot reparar-se?

3. Llançadores de pèptids

Benjamí Oller (Laboratori de Ernest Giralt)

Els pèptids són petites proteïnes, que són biomolècules formades per aminoàcids. Un dels seus rols principals és interaccionar amb altres molècules, generalment proteïnes més grans, per tal d'iniciar-ne o evitar-ne la funció. Alguns pèptids en concret són reconeguts pels receptors de proteïnes de les membranes cel·lulars i són internitzats. Aquesta funció natural pot utilitzar-se en alguns casos per al transport de compostos bioactius que no poden creuar certes barreres.

Una de les barreres biològiques més impenetrables és la que separa la sang del cervell, la barrera hematoencefàlica (BHE). Aquesta estructura és el principal obstacle per als fàrmacs destinats a tractar les malalties que afecten el sistema nerviós central, com les malalties d'Alzheimer i Parkinson o els càncers cerebrals. Alguns tractaments potencialment eficaços per a les malalties del cervell es basen en les proteïnes, però la majoria no poden creuar la BHE i, per tant, tenen un efecte molt local que sovint no és suficient per vèncer la malaltia. Unir els pèptids que poden creuar la BHE amb aquestes proteïnes pot millorar-ne moltíssim la distribució i, per tant, l'eficàcia. No obstant, decorar els fàrmacs proteics amb pèptids sense afectar-ne l'activitat no és una tasca fàcil. Les proteïnes tenen molts grups reactius a la superfície i només se n'han de modificar alguns. La química orgànica ofereix moltes estratègies diferents per assolir aquest repte, que explorarem en aquest seminari. Coneixerem les reaccions que ens permeten modificar les cadenes laterals de certs residus d'aminoàcids, els sucres que sovint hi estan relacionats o l'N-terminal de la molècula. Finalment, en la sessió pràctica, durem a terme una lligació selectiva i analitzarem el resultat de la reacció.

Aquest curs anirà seguit d'una segona sessió en el 2n semestre, en què es tornarà a tractar la reactivitat selectiva en la síntesi química de pèptids. (Disseny de fàrmacs pèptids, Julia García)

4. Neurodegeneració i malaltia d'Alzheimer

Bahareh Eftekharzdeh (Laboratori de Xavier Salvatella)

La malaltia d'Alzheimer és la forma més freqüent de demència. No té cura i els símptomes empitjoren a mesura que la malaltia avança, fins que produeix la mort. Fou descrita per primera vegada pel psiquiatra i neuropatòleg alemany Alois Alzheimer l'any 1906. Les causes i l'evolució de la malaltia d'Alzheimer no es comprenen del tot. La recerca indica que la malaltia està associada amb plaques i cabdells al cervell. Els tractaments actuals només ajuden amb els símptomes de la malaltia, però cap no n'atura ni n'inverteix l'evolució. Fins al 2012, s'han dut a terme més de 1000 estudis clínics per trobar formes de tractar l'Alzheimer, però no se sap si cap dels tractaments que s'estan provant funcionarà. S'ha suggerit l'estimulació mental, l'exercici i una dieta equilibrada com a maneres d'endarrerir els símptomes cognitius (encara que no la patologia cerebral) en els individus grans sans, però no hi ha evidències concloents que confirmin que tenen efecte. Aquest curs farà un estudi en profunditat dels mecanismes de la neurodegeneració, centrant-se en dos dels principals de les malalties d'Alzheimer i Parkinson.

Començarem amb una introducció a la història d'aquestes malalties, estudiant les primeres vegades que es van detectar en el cervell dels pacients. A continuació farem una explicació en profunditat dels mecanismes moleculars i cel·lulars de la malaltia. Seguidament, repassarem les hipòtesis de les causes, i els últims plantejaments de la recerca per trobar cures, incloses les darreres estratègies mèdiques. Finalment, acabarem el curs amb una sessió de preguntes i respostes en què els estudiants tindran l'oportunitat de reflexionar sobre les possibilitats i els plantejaments en aquest camp de la recerca per al futur.

5. Membranes lípides

Anabel-Lise Le Roux (Laboratori de Miquel Pons)

Les cèl·lules i els orgànuls estan envoltats de membranes, que separen, organitzen i actuen com a bastida per a molts processos. Les membranes estan formades per una «bicapa lípida», una estructura de dues capes composta de molècules lípides (o grasses) insolubles que fa de barrera per mantenir les altres molècules de la cèl·lula allà on són necessàries i evitar que vagin a àrees on no ho són. Els lípids també poden formar altres estructures subcel·lulars, com «vesícules», petites bombolles que transporten el seu contingut per la cèl·lula. Un tipus de vesícula anomenada «liposoma» pot formar-se de manera artificial i utilitzar-se com a vehicle per a l'administració de nutrients o fàrmacs, cosa que subratlla la importància que les membranes lípides poden tenir en el tractament de malalties.

Aquest curs començarà amb una introducció a les propietats bàsiques de les membranes biològiques: per què són insolubles en aigua? Per què els detergents poden dissoldre els lípids en aigua? Quin és el rol de les vesícules? Per què resulta útil la fusió de la membrana? També examinarem més de prop la contribució de les membranes a la funció cel·lular. Com poden les molècules creuar la bicapa lípida? Què evita que les cèl·lules explotin? El treball pràctic consistirà a produir algunes multicapes lípides artificials, en forma de vesícules.

6. Tecnologia computacional per al descobriment de fàrmacs per a la sida

Michela Candotti (Laboratori de Modesto Orozco)

Els fàrmacs que ataquen la proteasa del VIH-1, una proteïna relacionada amb la síndrome de la sida, són un dels èxits de la medicina moderna. Aquest exemple demostra la força del disseny de fàrmacs basat en l'estructura (SBDD): els detalls atòmics de l'estructura de la proteasa del virus van alimentar el disseny i desenvolupament reeixits de cinc fàrmacs que es troben al mercat. Actualment, per accelerar el SBDD i reduir-ne els costos, l'ús d'eines computacionals és fonamental en les fases inicials del procés.

En aquest petit projecte, aprendrem com el coneixement de l'estructura de la proteïna pot combinar-se amb les eines computacionals com l'acoblament (o docking) molecular per descobrir un nou fàrmac. Estudiarem el cas de la proteasa del VIH-1, començant des dels conceptes bàsics sobre l'estructura de la proteïna, les característiques de la seva cavitat d'unió i més tard entendrem com es poden avaluar les interaccions entre proteïna i lligand. Cada estudiant visualitzarà i analitzarà les característiques de la nostra estructura proteínica diana i avaluarà un compost utilitzant un programari d'acoblament. Al final d'aquest procés, podrem distingir quins compostos poden esdevenir fàrmacs eficaços.

2n SEMESTRE

1. Estudi d'oòcits de granota

Jordina Guillen (Laboratori de Raúl Méndez)

Aquest curs oferirà una visió general de com utilitzar la granota amb ungles africana, Xenopus laevis, com a sistema de model animal. Al nostre laboratori utilitzem els oòcits de Xenopus laevis per estudiar el cicle de cèl·lules meiòtiques i el control traduccional dels ARN missatgers (ARNm) materns.

La meiosi és un tipus de divisió cel·lular que redueix el nombre de cromosomes de la cèl·lula original a la meitat i produeix els gàmetes. Durant la meiosi no hi ha transcripció i les activitats proteíniques clau que impulsen aquest procés estan controlades principalment a nivell de la traducció dels ARNm materns emmagatzemats prèviament. Una família de proteïnes anomenades CPEB (proteïna d'unió a l'element de poliadenilació citoplasmàtica) són les responsables del control de la traducció dels ARNm materns mitjançant un procés anomenat «poliadenilació citoplasmàtica».

Encara que ens centrarem en el cicle de les cèl·lules meiòtiques i en les primeres divisions embrionàries, la regulació de l'expressió genètica a nivell de la traducció dels ARNm controla altres processos biològics com la proliferació cel·lular, la diferenciació, la senescència, la plasticitat sinàptica i l'angiogènesi, així com processos patològics com l'evolució d'un tumor.

En el curs pràctic farem tres experiments diferents amb oòcits de Xenopus laevis: 1) fecundació in vitro d'ous de granota i observació de les primeres divisions embrionàries; 2) selecció i microinjecció d'oòcits; 3) observació dels cromosomes dels oòcits alineats a la placa de la segona metafase, en condicions normals i en absència de la proteïna essencial per a la meiosi (CPEB4).

2. Estudi de la mida adequada: la genètica sota control

Ana Ferreira (Laboratori de Marco Milán)

A mesura que un animal es desenvolupa, les parts del cos i els òrgans han de créixer per assolir la mida i forma adequades que són característiques de cada espècie. Aquest creixement ha d'estar coordinat entre els diferents òrgans i en cada un d'ells per tal de generar adults totalment funcionals. De quina manera els òrgans assoleixen una mida i un patró concrets és una de les qüestions fonamentals en la biologia del desenvolupament actualment.

El nostre laboratori estudia els mecanismes cel·lulars i moleculars subjacents a la regulació del creixement dels teixits durant el desenvolupament normal. Per fer-ho, utilitzem la mosca de la fruita Drosophila melanogaster, un model animal ben descrit que s'utilitza sovint en la biologia del desenvolupament. La mosca de la fruita té molts avantatges com a sistema de model, inclòs el fet que és molt adient per als estudis genètics i moleculars. Concretament, ens centrem en el «disc imaginal» de l'ala, que creix i prolifera durant les fases larvàries de la mosca per donar lloc a l'ala adulta. La mida i la forma de l'ala adulta final estan determinades per les taxes de divisió cel·lular, el creixement cel·lular i la mort cel·lular durant el desenvolupament del disc de l'ala. Per assolir una mida i una forma adequades cal controlar atentament el creixement del teixit i les cèl·lules a nivell molecular i genètic. Si no, podria produir-se un creixement i proliferació incontrolats, característics de les cèl·lules canceroses.

Durant aquest curs, estudiarem el desenvolupament del disc imaginal i veurem de primera mà l'efectivitat de la Drosophila com a sistema de model. Utilitzarem genètica clàssica i tècniques de microscòpia confocal per observar com es pot veure afectada la mida a nivell de l'òrgan i de l'organisme.

3. Disseny de pèptids terapèutics

Júlia García (Laboratori de Ernest Giralt)

Els pèptids són proteïnes de tamany petit construïdes a partir d'aminoàcids. La distinció existent entre les proteïnes i els pèptids és força arbitrària, malgrat que mentre les proteïnes habitualment contenen 50 o més aminoàcids, els pèptids presenten un menor nombre d'aquests.

Els pèptids naturals es troben presents al nostre organisme, participant en diversos papers biològics. Els més destacats són aquells en els quals té lloc la interacció amb macromol·lècules, tals com proteïnes. Per aquest motiu, els pèptids poden ésser emprats com agents terapèutics per tal de tractar diferents malalties. Aquests fàrmacs potencials poden ser sintetizats químicament al laboratori mitjançant un mètode conegut com a síntesis peptídica en fase sòlida. Tot i les nombroses avantatges que ofereix aquesta tècnica, és crucial que el procediment sintètic sigui dissenyat de forma adequada per a cada cas.

Donat que la major part de dianes terapèutiques biològiques es troben a l'interior de les cèl·lules, és necessari que els pèptids siguin capaços de creuar les membranes cel·lulars, les quals actuen com a barreres biològiques. Determinats tipus de pèptids, cíclics o bicíclics entre d'altres, han demostrat posseir aquesta habilitat quan s'introdueixen uns residus particulars en les seves seqüències. Durant la sessió pràctica, s'intentarà dur a terme el disseny i la síntesis d'aquest tipus de pèptids terapèutics. 

Aquest curs és la continuació de «Llançadores de pèptids», de Benjamí Oller del 1r semestre.

4. Arquitectura de la cèl·lula: SEGONA PART

Sabine Klischies (Laboratori de Jens Lüders)

Les cèl·lules de tots els éssers vius tenen un «esquelet» que fa de suport per a totes les seves funcions, com ara el transport de proteïnes a través de la cèl·lula, l'organització de la forma de la cèl·lula i fins i tot la mobilitat, la migració i la divisió cel·lulars. En les cèl·lules humanes i altres cèl·lules eucariotes, aquest «citosquelet» està format per una sèrie d'estructures, com ara els «microtúbuls», que són cilindres minúsculs que es poden encongir, allargar, agrupar i distribuir per tot el citoplasma, segons les necessitats de la cèl·lula. Unes altres estructures importants del citosquelet són els «centrosomes» i els «fusos mitòtics», que fan una funció important en la divisió cel·lular, ajudant a garantir que el material genètic de la cèl·lula que es divideix sigui el mateix per a les dues noves cèl·lules. En les cèl·lules canceroses, sovint s'observa que els centrosomes i els fusos mitòtics presenten anomalies, i per això aquestes estructures resulten de gran interès en la recerca oncològica.

En aquest curs de dues parts, que s'estendrà a tots dos semestres, coneixerem els components del citosquelet i veurem per què són tan importants per a la cèl·lula. En els exercicis pràctics, us mostrarem com s'organitzen els microtúbuls dins d'una cèl·lula (en agrupacions de diversos tipus i formes) i com les cèl·lules depenen d'aquestes agrupacions. Analitzarem les molècules que regulen on i quan els diferents tipus de cèl·lules formen els seus microtúbuls, utilitzant cèl·lules de teixit en cultiu i neurones de l'hipocamp de ratolí i tècniques de microscòpia òptica de fluorescència.

Aquest curs és la continuació de la primera sessió del 1r semestre de Francisco Freixo.

5. El rol de la cascada de les p38 MAPK en el desenvolupament del càncer

Natalia Trempolec (Laboratori de Angel R. Nebreda)

Les cèl·lules, per tal de dur a terme les seves funcions i sobreviure, han de conèixer en tot moment els canvis en el seu entorn extracel·lular. Per poder respondre a grans quantitats d'estímuls i canvis ambientals, han desenvolupat mecanismes sofisticats que els permeten rebre senyals, transmetre informació i coordinar una resposta cel·lular adequada. Atès que la majoria de les partícules extracel·lulars no poden penetrar dins la cèl·lula, cal passar senyals a la cèl·lula. Aquesta transducció de senyals es basa en «línies de comunicació» intracel·lular, o vies de senyalització, moltes de les quals funcionen quan es produeixen una sèrie de canvis químics anomenats «fosforilació». La transducció de senyals que implica la fosforilació és el que es coneix com una «cascada de proteïna cinasa». La funció correcta de les vies de senyalització és crucial per a l'homeòstasi cel·lular i l'alteració dels resultats d'equilibri en malalties com el càncer, la diabetis o la inflamació com a resposta immunitària.

El nostre laboratori estudia una proteïna cinasa especial anomenada p38 MAPK i la seva cascada de senyalització. S'activa com a resposta a l'estrès cel·lular i té un paper fonamental en la inflamació, l'evolució, diferenciació i proliferació del cicle cel·lular i en el creixement i la mort cel·lulars. En aquest curs, examinarem amb detall la cascada de senyalització de les p38 MAPK per entendre quan i com s'inicia, com evoluciona i què passa a les altres molècules de la cèl·lula un cop activada la p38 MAPK.

6. Entrant al món de les proteins

Juliana Amodio / Montse Fàbrega (Laboratori de Miquel Coll)

Les proteïnes representen aproximadament la meitat del pes total de les biomolècules presents en una cèl·lula. Exerceixen una àmplia varietat de funcions orgàniques, com per exemple la catàlisi, la unió, la defensa i la senyalització. Molts estudis que impliquen proteïnes tenen l’objectiu d’obtenir-ne una estructura atòmica detallada per tal de comprendre millor la seva funció, desenvolupament evolutiu o interaccions.

Però treballar amb les proteïnes no és fácil, i molts cops esdevé un llarg camí. Primer han de ser produïdes per una cèl·lula, obtenir-ne en quantitat suficient com per poder treballar-hi i cristal·litzar-les després. Només una vegada que l'investigador ha fet amb èxit aquests passos pot obtenir imatges de la seva estructura tridimensional utilitzant els raigs X produïts per un sincrotró.

En aquest curs veurem eines de l'enginyeria genètica actual i de biologia estructural que els investigadors utilitzen per determinar les estructures de les proteïnes a nivell atòmic.