Calcio y Función Celular

Trayectoria del grupo

NucleoRetLa labor del grupo en este campo se inicia en 1984, al asistir uno de sus miembros (Ana Sánchez) al nacimiento del quin2, el primer indicador de Ca2+citosólico, durante una estancia sabática en Cambridge, U.K.. Conscientes del potencial de esta nueva herramienta para estudiar los procesos de activación celular, montamos y mejoramos estas técnicas en Valladolid, lo que atrajo la atención de varios jóvenes y entusiastas científicos que se incorporaron al grupo.

En 1988, gracias a una dotación de infraestructura del MEC, pusimos en marcha el primer equipo de microfluorescencia y análisis de imagen de nuestro país, que permitía medidas de Ca2+ en células vivas con resolución a nivel de célula única y que está aún en funcionamiento. Durante los últimos 15 años hemos abordado temas tan diversos como la entrada capacitativa de Ca2+, el control de la secreción en las células beta del páncreas, las células adenohipofisarias o las cromafines, varios aspectos de la fisiología de las células sanguíneas (plaquetas, leucocitos y linfocitos) y la inflamación, la organización de la actividad espontánea en circuitos neuronales, el control de la diferenciación celular o las implicaciones del Ca2+ (Nature, Nature Cell Biol., FASEB J., Proc. Nat. Acad, Sci. USA) o de las áreas de Fisiología (J. Physiol., Am. J. Physiol., Pflugers Arch., Diabetes), Bioquímica y Biología Molecular (J. Biol. Chem.; Biochem. J.) o Farmacología (Brit. J. Pharmacol.) y a conferencias invitadas en foros tan prestigiosos como la Gordon Research Conference on Calcium Signalling.

Entre 1994 y 2000, a través de estancias postdoctorales en otros laboratorios, van incorporándose nuevas técnicas: Biología Molecular y expresión con vectores víricos (María Teresa Alonso, EMBL, Heidelberg), electrofisiología (Rosalba Fonteriz, Oxford), medida de Ca2+ con ecuorinas dirigidas (Maite Montero, Padova), medidas de quimioluminiscencia y expresión génica en células vivas individuales (Carlos Villalobos y Lucía Nuñez, Charleston, South Carolina, USA). La conjunción de éstas nuevas ideas y técnicas ha resultado muy productiva, permitiendo estudiar la señal de calcio en los orgánulos intracelulares, con hallazgos inesperados que indican la generación de microdominios subcelulares, con un alto grado de organización espacial durante la activación celular. Hemos realizado también un especial esfuerzo por estudiar las consecuencias de la organización de la señal de Ca2+ en las funciones fisiológicas y la fisiopatología del daño celular. Algunos de los investigadores que se incorporaron en la década de los 90’s lideran hoy sus propios grupos de investigación, integrados también en el CMP. Los objetivos actuales del grupo se resumen más abajo, en el resumen del proyecto Calcio y Función Celular. En los últimos años, el grupo ha dirigido su también su atención hacia la investigación traslacional en Terapia Celular, y es nuestra intención aprovechar las ventajas que ofrece la conjunción de estos dos excitantes campos de trabajo en el daño isquémico neuronal. Estos estudios han dado origen a numerosas publicaciones en revistas multidisciplinarias.

El grupo tiene también experiencia en Actividades Formativas. Es responsable directo de la elaboración de 12 Tesis doctorales, de las cuales 7 han obtenido premio extraordinario del doctorado, que han dado origen a publicaciones en revistas de difusión internacional de primer orden en su campo. El IBGM ofrece un Programa de Doctorado y acceso a numerosos cursos de especialización, tanto a través de la Universidad como del CSIC. Sus becarios tienen buenas posibilidades de interacción con los otros grupos del IBGM, que abordan líneas complementarias y entre los que surgen frecuentes colaboraciones, y un programa de actividades que incluye seminarios periódicos de investigación. Nuestras colaboraciones y contactos con otros grupos de investigación nacionales y extranjeros, facilitan la programación de estancias cortas en otros laboratorios dentro de su periodo de formación. Nuestro grupo tiene también actividades docentes en las áreas de Fisiología y Bioquímica en la Facultad de Medicina, por lo que los becarios tienen también la oportunidad de entrar en contacto y, eventualmente, colaborar en estas actividades.

Proyecto actual: Calcio y función celular

El Ca2+ es un mensajero intracelular universal y versátil, capaz de regular muchas funciones distintas en una misma célula. Esto es posible gracias a la compartimentalización de las funciones y a la generación de microdominios subcelulares con diferentes concentraciones de Ca2+ citosólico. El transporte de Ca2+ por los orgánulos intracelulares (retículo sarco- o endoplásmico (SR/RE), aparato de Golgi, mitocondrias o núcleo) es esencial en la génesis de microdominios. A su vez, la concentración de Ca2+ dentro de cada orgánulo es esencial para muchas de sus funciones fisiológicas específicas. Así, por ejemplo, el Ca2+ participa de forma directa en: la síntesis y el procesamiento de proteínas en el RE; la secreción proteica por el Golgi; la respiración y la apoptosis mitocondriales; o en la expresión génica nuclear. De hecho, la dishomeostasis del Ca2+ parece desempeñar un papel muy importante en la patogénesis de las enfermedades neurodegenerativas. Recientemente hemos desarrollado una nueva familia de indicadores fluorescentes de Ca2+, denominados GAP (de GFP-Aequorin-Protein), y que pueden dirigirse a la matriz de los orgánulos intracelulares de células vivas para monitorizar a tiempo real la concentración de Ca2+ en su interior, tanto en condiciones de reposo y/o durante la actividad fisiológica. Las organelas de alto contenido de Ca2+ como son el SR/RE y el Golgi han centrado nuestra atención y, para ello hemos diseñado y producido una versión de GAP con la afinidad adecuada para hacer experimentos de imagen en el lúmen de estas organelas. Además, hemos generado varios modelos de animales transgénicos, en mosca y en ratón, que expresan GAP funcional en el RE y que nos han permitido monitorizar in vivo la dinámica del Ca2+ del retículo sarcoplásmico de músculo esquelético tras una estimulación fisiológica. El transgénico de ratón es una excelente herramienta para estudiar la dinámica del Ca2+ del RE en una gran variedad de órganos y tejidos donde se expresa el sensor GAP. Concretamente, pretendemos abordar estudios estructurales, fisiológicos y fisiopatológicos agrupados en tres grandes objetivos generales:

  1. Desarrollos metodológicos y generación de nuevas herramientas. Se propone generar vectores para expresión selectiva en tipos celulares específicos (neuronas, glias y células pancreáticas) y nuevas líneas de animales transgénicos, tanto de mosca como de ratón. En colaboración con otros pretendemos realizar estudios estructurales y mecanísticos en torno a la interacción GAP-Ca2+.
  2. Estudio de la homeostasis del Ca2+ en RE y su relación con diferentes funciones fisiológicas. En colaboración con otros laboratorios proponemos una búsqueda del canal de fuga (leak) del RE basada en la fisiología comparada y la genética evolutiva. Se plantea también, estudiar la participación del RE en varias funciones fisiológicas (secreción de hormonas, oscilaciones gliales y retinianas, y activación de neuronas sensoriales).
  3. Por último, también estamos estudiando las posibles alteraciones de la homeostasis de Ca2+ en RE y Golgi en distintos modelos de envejecimiento (neuronas y glias), tanto in vitro como in vivo. Compararemos los niveles de Ca2+ en células jóvenes y viejas, tanto en el estado estacionario en el RE, así como el bombeo y la salida pasiva de Ca2+.

Composición del equipo

Doctores

Doctorandos

  • Alba del Río Lorenzo, Becaria FPI
  • Patricia Torres Vidal, Becaria FPI

Estudiante de Máster

  • Patricia Arroyo Martín

Técnicos

  • Jesús Fernández Gutiérrez, Técnico superior de Laboratorio
  • Carla Rodríguez Crespo, Técnico de Laboratorio

Investigadores Colaboradores

  • Jonathan Rojo Ruiz, Universidad de Burgos (CVA J. Rojo)
Grupo Calcio y Función Celular

Publicaciones

  • Rodríguez-Prados M, Rojo-Ruiz J, García-Sancho J, Alonso MT. (2020) Direct monitoring of ER Ca2+ dynamics reveals that Ca2+ entry induces ER- Ca2+ release in astrocytes. Pflugers Arch. 472: 439-448. doi: 10.1007/s00424-020-02364-7. Epub 2020 Apr 3.
  • Delrio-Lorenzo A, Rojo-Ruiz J, Alonso MT, García-Sancho J. (2020) Sarcoplasmic reticulum Ca2+ decreases with age and correlates with the decline in muscle function in Drosophila. J Cell Sci. 133(6):jcs240879. doi: 10.1242/jcs.240879.
  • Calatayud C, Carola G, Fernández-Carasa I, Valtorta M, Jiménez-Delgado S, Díaz M, Soriano-Fradera J, Cappelletti G, García-Sancho J, Raya Á, Consiglio A. (2019) CRISPR/Cas9-mediated generation of a tyrosine hydroxylase reporter iPSC line for live imaging and isolation of dopaminergic neurons. Sci Rep. 2019 9: 6811. doi: 10.1038/s41598-019-43080-2. PubMed PMID: 31048719.
  • Etxaniz, A., González-Bullón, D., Martín, C., Alonso, M.T., Ostolaza, H.(2019) Irreversible versus repairable membrane poration: differences in permeabilization elicited by Bordetella Adenylate Cyclase Toxin and its hemolysin domain in macrophages.FEBS Journal.
  • Rojo-Ruiz J, Rodríguez-Prados M, Delrio-Lorenzo A, Alonso MT, García-Sancho J. (2018) Caffeine chelates calcium in the lumen of the endoplasmic reticulum. Biochem J. 475: 3639-3649. doi: 10.1042/BCJ20180532.
  • Chamero P, Weiss J, Alonso MT, Rodríguez-Prados M, Hisatsune C, Mikoshiba K, Leinders-Zufall T & Zufall F (2017) Type 3 inositol 1,4,5-trisphosphate receptor is dispensable for sensory activation of the mammalian vomeronasal organ Sci. Rep. 7:10260. doi: 10.1038/s41598-017-09638-8.
  • Arduino DM, Wettmarshausen J, Vais H, Navas-Navarro P, Cheng Y, Leimpek A, Ma Z, Delrio-Lorenzo A, Giordano A, Garcia-Perez C, Médard G, Kuster B, García-Sancho JG, Mokranjac D, Foskett JK, Alonso MT, Perocchi F (2017) Systematic identification of MCU modulators by orthogonal interspecies chemical screening Mol Cell 67:711-723 doi: 10.1016/j.molcel.2017.07.019.
  • Stein, B, Alonso, MT, Zufall, F, Leinders-Zufall, T, Chamero, P. Functional Overexpression of Vomeronasal Receptors Using a Herpes Simplex Virus type 1 (HSV-1) Derived Amplicon. (2017) Chem. Senses 42: E54-E55
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  • Alonso MT, Rojo-Ruiz J, Navas-Navarro P, Rodríguez-Prados M, García-Sancho J. (2017) Measuring Ca2+ inside intracellular organelles with luminescent and fluorescent aequorin-based sensors Biochim Biophys Acta 1864: 894-899. doi: 10.1016/j.bbamcr.2016.
  • Alonso MT, Rojo-Ruiz J, Navas-Navarro P, Rodríguez-Prados M, García-Sancho J. (2017) Using aequorin probes to measure Ca2+ in intracellular organelles Cell Calcium 64: 3-11. doi: 10.1016/j.ceca.2017.01.006 (R)
  • Navas-Navarro P, Rojo-Ruiz J, Rodriguez-Prados M, Ganfornina MD, Looger LL, Alonso MT and García-Sancho J (2016) GFP-Aequorin Protein sensor for cell-based, ex vivo and in vivo imaging of Ca2+ dynamics in high Ca2+ organelles Cell Chem. Biol. 23: 738-45
  • Stein B, Alonso MT, Zufall F, Leinders-Zufall T, and Chamero P (2016) Functional Overexpression of Vomeronasal Receptors Using a Herpes Simplex Virus Type 1 (HSV-1)-Derived Amplicon. PLOS One doi: 10.1371/journal.pone.0156092
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  • Rodríguez-Prados M, Rojo-Ruiz J, Aulestia FJ, García-Sancho J, Alonso MT (2015) A new low-Ca2+ affinity GAP indicator to monitor high Ca2+ in organelles by luminescence. Cell Calcium 58: 558-64
  • Rodriguez-Garcia A, Rojo J, Navas-Navarro P, Aulestia F, Gallego-Sandin S, Garcia-Sancho J, Alonso MT (2014) GAP, a new aequorin-based fluorescent indicator for imaging Ca2+ in organelles PNAS 111:2584-9
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  • Aulestia FJ, Redondo PC, Rodriguez-Garcia A, Rosado JA, Salido GM, Alonso MT, Garcia-Sancho J. (2011) Two distinct calcium pools in the endoplasmic reticulum of HEK293T cells. Biochem J. 435: 227-35
  • Aulestia F, Alonso MT, Garcia-Sancho J (2015) Differential calcium handling by the cis and trans regions of the Golgi apparatus Biochem J 466: 455-465
  • Alonso MT, Manjarrés IM, García-Sancho J. (2012) Privileged coupling between Ca(2+) entry through plasma membrane store-operated Ca(2+) channels and the endoplasmic reticulum Ca(2+) pump. Mol Cell Endocrinol. 353: 37-44
  • Alonso MT and García-Sancho J. (2011) Nuclear Ca(2+) signalling. Cell Calcium 49:280-9.
IBGM

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