Modelos de levadura humanizada para el estudio de patologías humanas

Dentro de las posibilidades que ofrece la modificación genética de microorganismos, una opción interesante se basa en la utilización de modelos microbianos para investigar las bases moleculares de las patologías humanas. En este sentido, S. cerevisiae ocupa un lugar prominente en la investigación biomédica actual, al considerarse un modelo idóneo para comprender múltiples procesos en biología celular, incluido el control de la división celular,  la señalización celular y los procesos de tráfico vesicular. La conservación funcional entre estos seres unicelulares y las células de organismos superiores en lo que se refiere a procesos importantes para las funciones vitales de la célula y sus respuestas adaptativas al entorno es asombrosa, de modo que en muchas ocasiones dichos genes humanos poseen un equivalente en la levadura. Otras veces, por el contrario, los genes humanos le proporcionan a la levadura una actividad o una función de la que naturalmente carecía. En cualquier caso, las células de levadura así humanizadas suponen un modelo experimental extraordinariamente práctico y versátil para realizar experimentos genéticos de manera sencilla.

Transmission electron microscopy showing cell wall defects at the septum area in cells with an altered phosphoinositide-dependent signaling (right) as compared to the control (left).

 

En nuestro grupo de investigación hemos trabajado durante más de una década en la expresión en la levadura ciertos oncogenes y supresores de tumores humanos, como los proto-oncogenes PI3K y Akt y el gen supresor de tumores PTEN. Este último, por ejemplo, aparece mutado en múltiples cánceres y está considerado uno de los determinantes genéticos más importantes en oncogénesis, desarrollo tumoral y procesos metastásicos. En nuestro laboratorio hemos reconstituido en la levadura la ruta de señalización de mamíferos integrada por PI3K, Akt y PTEN. En colaboración con el laboratorio del Dr. Rafael Pulido (BioCruces, Bilbao), hemos utilizado este modelo para estudiar la relevancia funcional de mutaciones en esta ruta. 

Confocal laser microscopy images showing expression of the human TIRAP adaptor involved in TLR signaling (red) and co-localization with a plasma membrane marker (green)

En la actualidad, estamos trabajando en el desarrollo de modelos de estudio para módulos de señalización en inmunidad innata mediante la expresión en levadura de componentes de los complejos implicados en señalización a través de receptores de tipo TIR, RIG-I y NOD (TLRs, RLRs y NLRs). Esperamos con este proyecto contribuir al desarrollo de herramientas para estudios genéticos y farmacológicos de estos complejos proteicos, esenciales en la respuesta a patógenos o daño celular y esenciales para la respuesta inflamatoria.

Estrategia para la reconstitución en levadura de módulos de señalización humanos dependientes de TLR4

 

 

Humanized yeast models for the study of human disease

Within the feasible applications of genetic reprogramming of microbial models, an interesting approach deals with the exploitation of simple cellular systems to explore the molecular basis of human diseases. S. cerevisiae has a pivotal position as a model for biomedical research, having led to key discoveries in multiple processes related to cell biology, including the control of cell division, cell signaling and vesicular traffic. There is a striking degree of conservation between this unicellular model and higher eukaryotic cells regarding key cellular processes and the mechanisms that rule adaptive response to environmental signals. Actually, it is common that human genes involved in such processes share a functional homolog in yeast. Nevertheless, there are cases in which a protein or pathway of interest are missing in yeast, so heterologous expression of the human protein confers the yeast cell an activity and function that were naturally absent. In both cases, such humanized yeast cells provide a versatile experimental model that allows ready genetic approaches.

 

Immunoblot on pull-down experiments to verify physical interaction between components of TLR signaling when co-expressed in yeast 

In our research group, we have expressed in yeast cells human oncogenes, such as the PI3K and Akt kinases and tumor suppressors, like PTEN, The latter, frequently mutated in cancer, is considered one of the most important genetic determinants in oncogenesis, tumor development and metastasis. In our lab, we have reconstituted in yeast the PI3K/Akt/PTEN pathway in collaboration with Dr. Rafael Pulido (BioCruces, Bilbao), and we have developed a yeast-based model that helps to predict the functional relevance of particular mutations in these proteins to elucidate their structural or mechanistic properties. 

Localization of human GFP-Akt1 expressed in yeast (green) to cellular membranes, marked with FM4-64 stain (red).

Currently, we are working on the development of yeast-based models to study signaling modules related to innate immunity by heterologous expression of the components of supramolecular organizing complexes (SMOCs) involved in signaling downstream TIR- RIG-I- and NOD-like receptors (TLRs, RLRs and NLRs, respectively). With our experimental designed we hope to contribute to the deveopment of useful tools for genetic and pharmacologic studies on these protein complexes, which are essential for proper response to pathogens and cell damage, as well as inflammation.