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Ver el documento (formato PDF)   Piegari, Estefanía.  "Interacción entre geometría y dinámica en la modulación de señales intracelulares de calcio"  (2016-03-30)
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
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Resumen:
Las señales de Ca²⁺ son ubicuas y juegan un rol importante en numerosos procesos fisiológicos como la fertilización o la muerte celular. Su versatilidad se basa en la variedad de comportamientos espacio-temporales que puede mostrar la concentración de calcio intracelular y en que distintos comportamientos pueden inducir respuestas diferentes. La liberación de Ca²⁺ desde el retículo endoplasmático (RE) hacia el citosol a través de receptores de inositol 1,4,5-trifosfato (RIP3s) es una componente clave dentro de los mecanismos de señalización por Ca²⁺. Los RIP3s necesitan unir IP3 y Ca²⁺ para abrirse por lo que la liberación de Ca²⁺ a través de un único RIP3 puede inducir la apertura de otros canales vecinos, mecanismo que se conoce como liberación de calcio inducida por calcio o CICR por las siglas en inglés. Los RIP3s aparentemente se organizan en cúmulos sobre la membrana del RE (clusters). Si el CICR se encuentra limitado a un cluster, las señales pueden permanecer localizadas (puffs). En caso contrario, pueden convertirse en ondas que se propagan entre clusters. Los puffs son los ladrillos de construcción de esas señales más globales que se propagan por toda la célula. Por este motivo, existe un gran interés en la determinación de las propiedades de los puffs, especialmente en vista de la actual controversia sobre la distribución espacial de los RIP3s activables. Las señales de calcio, por otro lado, pueden remodelarse a través de varios mecanismos, entre ellos, el atrapado del Ca²⁺ por parte de buffers. Éstos no sólo disminuyen la concentración de Ca²⁺ libre sino que modifican su distribución espacio-temporal de distintos modos dependiendo de su cinética. Los puffs de Ca²⁺ se han observado en células intactas con técnicas ópticas mostrando que son intrínsecamente estocásticos. La obtención de una imagen correcta de la dinámica de los eventos entonces implica ser capaz de detectar todo el rango de tama~ nos de puffs. Éstos se observan usando indicadores de Ca²⁺ de una longitud de onda visible y buffers exógenos lentos (por ej; EGTA) para disrumpir el CICR entre clusters. Los indicadores de única longitud de onda aumentan su uorescencia al ligar calcio. De esta manera, generan imágenes que dependen fuertemente de su cinética, transporte y propiedades fotofísicas. Por este motivo, es de particular importancia determinar los artefactos que generan las condiciones del experimento. La propia existencia de los puffs depende de que los RIP3s están organizados en cúmulos. Una distribución uniforme de receptores debería dar lugar típicamente a señales propagantes tipo ondas. Los ovocitos de Xenopus laevis son un sistema experimental ventajoso para estudiar estas señales. Durante la fertilización se evoca una onda de Ca²⁺ que se propaga por toda la célula. La fertilización ocurre en el huevo maduro. Se ha observado que, al madurar el ovocito, su RE se configura y la distribución de los RIP3s parece ser más uniforme. Esto tiene un correlato en las características de las señales evocadas en los ovocitos maduros. En esta Tesis se combinaron experimentos, un análisis teórico y simulaciones numéricas para evaluar de qué modo la geometría de la distribución de canales se combina con alguno de los otros aspectos que in uyen sobre la distribución de calcio libre para determinar las características de las señales. El primer aporte fue introducir un método que permite establecer clases equivalentes de experimentos de obtención de imágenes realizados en condiciones diferentes, donde la clase está determinada por la relación señal-ruido que predice el método. Éste también puede utilizarse para estimar el tamaño de las señales más pequeñas que pueden observarse de manera confiable con cada arreglo y para generar imágenes de uorescencia numéricamente con ruido realista. Esta Tesis también contribuyó a estudiar si la presencia del indicador o del EGTA en distintas condiciones experimentales altera la dinámica intracelular de Ca²⁺, en particular, analizar si son capaces de detectar puffs de Ca²⁺ con similar precisión y de qué modo las distintas configuraciones experimentales afectan las propiedades de los puffs observados y la dinámica del Ca²⁺ subyacente. Se pudo determinar que aunque el indicador o el EGTA no alteran la dinámica intracluster del Ca²⁺, el conjunto de eventos observables del experimento es diferente dependiendo del grado de acoplamiento entre clusters. El estudio, por otro lado, permitió inferir que los puffs con mayor liberación de Ca²⁺ provienen de cúmulos donde los RIP3s están muy cerca unos de otros. Para estudiar en más detalle la disrupción del CICR entre clusters vecinos que inducen los buffers lentos, se realizaron experimentos utilizando simultáneamente dos indicadores de calcio de distinta cinética. Utilizando el método introducido pudimos confirmar nuestra conclusión previa sobre cómo se modifica el conjunto de eventos que se evoca en presencia de buffers lentos. Por otro lado, determinamos que la presencia de buffers rápidos da lugar a liberaciones de Ca²⁺ más prolongadas tal vez debido a que reducen el efecto inhibidor del Ca²⁺ sobre los RIP3s. En relación a la razón por la que los buffers lentos disrumpen el acoplamiento entre clusters pudimos concluir que su presencia disminuye el Ca²⁺ basal, aunque no tanto como para explicar la disrupción. El análisis de la diferente distribución espacio-temporal de los buffers lentos y rápidos parecería indicar la presencia de RIP3s en el espacio entre clusters que podrían ser "silenciados" por los buffers lentos evitando así la propagación de las señales entre cúmulos. Finalmente, en la Tesis se han mostrado también resultados preliminares de señales de calcio que se observan en células maduradas, cuyos cambios pueden explicarse en términos de una distribución espacial distinta de RIP3s.

Abstract:
Ca²⁺ signals are ubiquitous and play a relevant role in numerous physiological processes as fertilization or cell death. Their versatility relies on the variety of spatiotemporal behaviors that the intracellular calcium concentration can display and that different behaviors can induce different end responses. Ca²⁺ release from the endoplasmic reticulum (ER) into the cytosol through inositol 1,4,5-trisphosphate receptors (IP3Rs) is a key component of the Ca²⁺ signaling toolkit. IP3Rs need to bind IP3 and Ca²⁺ to become open an therefore. Therefore, Ca²⁺ released through one open IP3R can induce the opening of neighboring ones, a mechanism that is knwon as Calcium Induced Calcium Release (CICR). IP3Rs are apparently organized in clusters. The signals can remain localized (i.e., Ca²⁺ puffs) if CICR is limited to one cluster or become waves that propagate between clusters. Puffs are the building blocks of global signals that propagate throughout the cell. Thus, there is great interest in determining puff properties, especially in view of the current controversy on the spatial distribution of activatable IP3Rs. Moreover, calcium signals can be remodeled through various mechanisms, such as Ca²⁺ buffers. Buffers not only decrease the concentration of free Ca²⁺ but also modify its spatial and temporal distribution in different ways depending on their kinetics. Ca²⁺ puffs have been observed in intact cells using optical techniques showing that they are intrinsically stochastic. Obtaining a correct picture of their dynamics then entails being able to detect the whole range of puff sizes. Puffs are usually observed using visible single-wavelength dyes and slow exogenous buffers (e.g., EGTA) to disrupt intercluster CICR. Single-wavelength dyes increase their uorescence upon calcium binding producing images that are strongly dependent on their kinetic, transport and photophysical properties. Thus, determining the artifacts that the imaging setting introduces is particularly relevant. The very existence of puffs depends on the fact that IP3Rs are organized in clusters. A uniform distribution of receptors should typically lead to waves-like (propagating) signals. Xenopus laevis oocytes are an advantageous biological system to study these signals since Ca²⁺ release from the ER only occurs through IP3Rs. During fertilization a Ca²⁺ wave that propagates throughout the cell is evoked. Fertilization occurs in the mature egg. It has been observed that maturation of the oocyte induces a reorganization of the ER whereas IP3Rs seem to be distributed more uniformly on its membrane. This has its counterpart on the properties of the Ca²⁺ signals that are evoked in mature oocytes. In this Thesis we have combined experiments, theoretical analyses and numerical simulations to evaluate in which ways the geometry of the channel distributions interacts with the other aspects that affect the intracellular Ca²⁺ dynamics to determine the characteristics of the signals. The first contribution of this Thesis was to introduce a method that establishes equivalence classes of Ca²⁺ imaging experimental conditions, where the class is determined by the signal-to-noise ratio that is predicted by the method. The method can also be used to estimate the smallest signals that can reliably be observed with each experimental setting and to produce numerically generated Ca²⁺ images with realistic noise. The Thesis also contributed to study to what extent experiments performed with different dyes and/or alter the intracellular Ca²⁺ dynamics, in particular, if they are able to detect Ca²⁺ puffs with similar accuracy and in which ways the different experimental conditions affect the observed puff properties or the underlying dynamics of Ca²⁺ itself. We could determine that, although the dye or EGTA does not alter the intra-cluster dynamics, the set of observable events is different depending on the degree of inter-cluster coupling/uncoupling that is induced by the experimental conditions. An analysis of the observations allowed us to show that the events with the largest amounts of released Ca²⁺ came from clusters with densely packed active IP3Rs. To study in more detail the way in which slow buffers disrupt the inter-cluster CICR experiments were performed using two calcium dyes of different kinetics simultaneously. Applying the method introduced previously in the Thesis we could confirm our previous conclusion on how the set of events that is evoked is modified in the presence of slow buffers. We determined that the presence of fast buffers, on the other hand, results in longer periods of Ca²⁺ release perhaps because they reduce the inhibitory effect of Ca²⁺ on IP3Rs. With respect to the way in which the slow buffers disrupt the inter-cluster coupling we could conclude that their presence decreases basal Ca²⁺, although not enough to explain the disruption. The analysis of the different spatial and temporal distribution of Ca²⁺ bound to slow and fast buffers that is observed in the experiments seems to indicate that there are IP3Rs in the space between clusters that could be silenced by the slow buffers thus preventing the propagation of signals between clusters. Finally, in the Thesis we have also shown preliminary results on calcium signals observed in mature cells, whose changes can be explained in terms of a different spatial distribution of IP3Rs with respect to the case of immature oocytes.

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Registro:
Título : Interacción entre geometría y dinámica en la modulación de señales intracelulares de calcio     =    Interaction of geometry and dynamics on the modulation of intracellular calcium signals
Autor : Piegari, Estefanía
Director : Ponce Dawson, Silvina
Consejero : Pietrasanta, Lía
Jurados : Estrada, Laura  ; Aguilar, Pablo  ; Marconi, Verónica
Año : 2016-03-30
Editor : Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
Filiación : Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Departamento de Física. Instituto de Física de Buenos Aires (IFIBA)
Grado obtenido : Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Físicas
Ubicación : Preservación - http://digital.bl.fcen.uba.ar/gsdl-282/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=tesis&d=Tesis_5977_Piegari
Idioma : Español
Area Temática : Biología / Biología Molecular y Celular
Física / Microscopía
Palabras claves : SEÑALES INTRACELULARES DE CALCIO; RECEPTORES DE IP3; DINAMICA ESPACIO-TEMPORAL; MICROSCOPIA CONFOCAL; FLUCTUACIONES DE LA FLUORESCENCIA; INTRACELLULAR CALCIUM SIGNALS; IP3 RECEPTORS; SPATIO-TEMPORAL DYNAMICS; CONFOCAL MICROSCOPY; FLUORESCENCE FLUCTUATIONS
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