CRAZY ABOUT BIOMEDICINE 2014

1r Semestre

1. Preludi a la metamorfosi: les cèl·lules en transició

Nareg Djabrayan (Laboratori de Marco Milan)

La metamorfosi es defineix com un canvi brusc, un desenvolupament programat en la forma d'un animal. Aquest canvi en l'estructura implica la remodelació i fins i tot la substitució completa dels òrgans dels joves pels dels adults. A part de la curiosa noció d'un "animal dins d'un animal", el fenomen de la metamorfosi ofereix l'oportunitat d'estudiar molts dels comportaments cel·lulars associats amb les cèl·lules mare i el càncer. Aquests inclouen l'especificació i el manteniment de poblacions de cèl·lules mare, la transició controlada a partir de la quiescència cap a la proliferació, i els eventuals canvis en l'arquitectura cel·lular que permeten la remodelació del òrgans de les larves a les seves formes adultes finals.

La larva de Drosophila melanogaster pateix una transformació completa des de la forma de "cuc" sense membres cap a una mosca de sis potes amb ales. Durant la transició de la larva a la forma adulta, la majoria de teixits larvals són destruïts i reemplaçats pels òrgans que sorgeixen a partir de poblacions de cèl·lules "imaginals". La tràquea adulta sorgeix d'una població de cèl·lules traqueals imaginals que per a la durant la vida larvària han romàs en repòs. Abans d'iniciar la metamorfosi, les cèl·lules traqueals imaginals proliferen i canvien la seva arquitectura cel·lular en preparació per a la remodelació que ha de tenir lloc durant la metamorfosi.

Aquesta secció es centra en canvis en el comportament cel·lular de les cèl·lules traqueals imaginals que condueixen transició de larva a adult. En el curs pràctic, els estudiants utilitzaran eines biològiques genètiques i cel·lulars per observar aquest procés i interrogar els mecanismes subjacents que asseguren l'especificació, el manteniment i l'activació de les cèl·lules traqueals imaginals.

2. 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.

3. L’autofàgia: un mecanisme d'auto-alimentació cel·lular:

Saska Ivanova (Zorzano Lab)

Les cèl·lules conviuen diàriament amb diferents tipus de danys i atacs. Aquests, han de ser resolts per poder funcionar normalment i mantenir-se saludable. Els danys no resolts normalment condueixen a la mort cel·lular.

Un dels principals mecanismes de "defensa" que tenen les cèl·lules és l'autofàgia cel·lular. Aquesta, en condicions normals, té un nivell d’activació basal per tal d’assegurar el recanvi de proteïnes i el control de qualitat dels orgànuls. No obstant, en condicions d'estrès, s'indueix l'autofàgia, funcionant com a mecanisme de protecció i pro-supervivència per eliminar l’acumulació d'agregats de proteïnes i / o orgànuls danyats. Alternativament, en dejuni, l'autofàgia es fa servir per obtenir nutrients a través de desmuntar diferents components cel·lulars.

En l'última dècada, la desregulació de l'autofàgia (cap amunt o cap avall) s'ha connectat a moltes malalties, incloent la diabetis, el càncer i la neurodegeneració. Per això, els seus mecanismes i vies de senyalització s'estudien extensament per tal d'obtenir informació sobre la manera de regular i possiblement manipular l'autofàgia d'una manera específica en el context de cada malaltia.

En aquest curs aprofundirem en les principals vies de l'autofàgia, centrant-nos en com induir i reconèixer bioquímicament l'autofàgia. Els estudiants treballaran directament amb les cèl·lules i obtindran una idea de les principals tècniques utilitzades en la biologia cel·lular i l'autofàgia.

4. El paper de les membranes biològiques a les cèl·lules

Anabel-Lise Le Roux (Laboratori Pons)

Les cèl·lules i orgànuls estan envoltats per membranes que separen, organitzen i actuen com bastides per a molts processos. Les membranes estan formades per una "bicapa lipídica" - una estructura de dues capes composta per molècules de fosfolípids insolubles i que actua com a barrera per mantenir les diferents molècules de la cèl·lula allà on es necessiten i prevenir que viatgin a zones a on no els hi toca. Els fosfolípids també poden formar altres estructures subcel·lulars, com ara vesícules, que són estructures transporten diferents continguts a través de la cèl·lula.

Un ajust acurat de les propietats químiques i físiques de les membranes biològiques els hi permet realitzar el seu paper crucial a la cèl·lula. Com? Què són exactament aquestes molècules de fosfolípids i com es forma aquesta barrera que és tan resistent i flexible al mateix temps? Com es pot creuar aquesta barrera per permetre la comunicació de la cèl·lula amb el seu entorn extern? Què impedeix que la cèl·lula exploti? Les proteïnes són socis crucials dels fosfolípids en les funcions de les membranes biològiques i en realitat estan presents en gran quantitat en la bicapa. Quins són els diferents tipus i funcions de les proteïnes de la membrana? Quina relació estableixen les proteïnes i la bicapa de fosfolípids? Com es mouen les proteïnes dins de la bicapa i com s'organitzen per complir les seves funcions?

A la sessió de pràctica, s’estudiarà una proteïna de membrana que a la vegada també és un oncogèn si està sobreexpressada o desregulada. Part de la seva regulació es deu a l'associació i la interacció amb la membrana. S’estudiarà l'afinitat de la proteïna amb les bicapes lipídiques segons la seva composició utilitzant un assaig de sedimentació de lípids.

5. Understanding DNA: What makes you different from everybody else?

Berta Terré (Stracker Lab)

It can be said that DNA is the genetic “instruction manual” found in all our cells. This molecule contains genetic information that control several cellular functions such as proliferation, apoptosis and even the color of our eyes. However, sometimes the DNA can suffer some modifications that can disrupt all these biological processes leading to the development of several diseases such as cancer. Because of that, our cells have developed a system to control and repair these lesions: the DNA Damage Response pathway. Simply put, we have some genes that function as guardians of the genome, which are responsible for maintaining genomic stability and protecting our cells. However, this system does not work exactly the same way for everyone, and that is one of the reasons why despite having the same lifestyle, some people develop cancer while others do not.

In this two-part course, we will explore the association between genomic instability and cancer. We will try to understand the mechanisms by which DNA controls cellular function and how the genetic differences that exist between people can influence their risk of getting cancer.

This course will be continued in Semester II.

6. 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.

2n Semestre

1. Entrant al món de les proteins

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.

2. Understanding DNA: What makes you different from everybody else?

Joana Raquel Faria (Stracker Lab)

It can be said that DNA is the genetic “instruction manual” found in all our cells. This molecule contains genetic information that control several cellular functions such as proliferation, apoptosis and even the color of our eyes. However, sometimes the DNA can suffer some modifications that can disrupt all these biological processes leading to the development of several diseases such as cancer. Because of that, our cells have developed a system to control and repair these lesions: the DNA Damage Response pathway. Simply put, we have some genes that function as guardians of the genome, which are responsible for maintaining genomic stability and protecting our cells. However, this system does not work exactly the same way for everyone, and that is one of the reasons why despite having the same lifestyle, some people develop cancer while others do not.

In this two-part course, we will explore the association between genomic instability and cancer. We will try to understand the mechanisms by which DNA controls cellular function and how the genetic differences that exist between people can influence their risk of getting cancer.

This course is a continuation from Semester I.

3. Visió general sobre la metàstasi: c om les cèl·lules canceroses colonitzen òrgans distants?

Sylwia Gawrzak (Laboratori de Roger Gomis)

La metàstasi és un procés complex amb múltiples etapes en les quals les cèl·lules canceroses surten del lloc del tumor original i migren a altres parts del cos, principalment a través del torrent sanguini. Una recaiguda o metàstasi, és un esdeveniment tardà en la progressió del càncer, s'associa amb un mal pronòstic i està fortament implicat en la letalitat de càncer. Tot i que les estratègies que ataquen als tumors primaris han millorat, els tractaments sistèmics per prevenir la metàstasi són menys eficaços. Per tant, la metàstasi segueix sent un problema clínic difícil, i la dissecció dels seus mecanismes biològics és crucial per tal de revelar noves dianes terapèutiques per prevenir i curar els tumors malignes.

Aquest curs donarà informació general sobre la biologia del càncer i es centrarà en els diferents aspectes de la metàstasi. S’aprendrà sobre on és on les cèl·lules canceroses solen formar metàstasi, els passos essencials d’aquest procés, i el temps necessari perquè ho facin. La part teòrica s’il·lustrarà amb diversos exemples de tècniques experimentals que s'utilitzen per estudiar la metàstasi. Durant la part pràctica, es farà una tinció histològica per comparar diverses mostres de teixit de ratolí per tal d'identificar les lesions metastàtiques de diversos òrgans.

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

Ivan Ivani (Laboratori 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.

5. Introducció a la bioinformàtica i a la biologia de sistemes

Samira Jaeger ((Laboratori de Patrick Aloy)

La bioinformàtica s'ha desenvolupat com una eina essencial en diverses àrees de la biologia. En la biologia molecular les diferents tècniques bioinformàtiques permeten processar i analitzar grans quantitats de dades. En altres camps com la genòmica, la bioinformàtica ajuda a la seqüenciació de genomes que és una font d’informació important per a la identificació de mutacions causants de malalties.

El curs teòric començarà amb una introducció a la bioinformàtica i la seva importància per a la biologia molecular i la biomedicina. Més endavant es centrarà en un important camp de la bioinformàtica, la biologia de sistemes, que treballa amb les dades biològiques des d’un nivell més integrador i utilitzant les xarxes biològiques. En primer lloc, aprendrem com es poden construir aquestes xarxes i com es poden visualitzar utilitzant bases de dades públiques. A continuació, s’estudiaran els diferents mètodes de càlcul que es poden aplicar per a l'anàlisi d’aquestes xarxes, incloent mètodes es van desenvolupar originalment per a xarxes socials i buscadors. Finalment, es discutirà com els resultats d'aquests anàlisis poden ser utilitzats en biomedicina.

A la sessió pràctica es coneixeran els passos típics d'una anàlisi bioinformàtic. S’aprendrà a utilitzar i combinar eines computacionals per donar suport a la investigació biomèdica. Visió general sobre la metàstasi: c om les cèl·lules canceroses colonitzen òrgans distants?

6. Arquitectura de la cèl·lula

Rosa María Ramírez (Laboratori de Jens Lüders)

El citosquelet és una xarxa macromolecular de les cèl·lules eucariotes que proporciona estructura i forma a les cèl·lules, resistència mecànica, locomoció, transport intracel·lular dels orgànuls, i separació dels cromosomes durant la mitosi i la meiosi. El citosquelet està compost de diferents proteïnes que s'associen per formar matrius de fibres proteiques, inclosos els filaments d'actina, filaments intermèdia i els microtúbuls. Aquests última, són uns tubs llargs que s'estenen per tota la cèl·lula, proporcionant una estructura organitzativa pels orgànuls i donant suport al moviment cel·lular. En la mitosi els microtúbuls creixen a partir dels centrosomes a cap dels cromosomes per formar el fus mitòtic, que exerceix un paper important en la divisió cel·lular. Les cèl·lules canceroses sovint tenen centrosomes anormals i defectes en els eixos. Els microtúbuls són per tant, un objectiu important per a la investigació del càncer.

En aquest curs, aprendrem sobre el citoesquelet de microtúbuls, el seu paper en el suport a la dinàmica cel·lular, i les seves implicacions en els trastorns de la salut. A les sessions pràctiques s’analitzarà l'organització del citoesquelet de microtúbuls durant el cicle cel·lular, utilitzant cultius cel·lulars i tècniques de microscòpia de fluorescència.