Proyecto Dr. Jordi Tamarit y Dr. Joaquim Ros

Proyecto Dr. Jordi Tamarit y Dr. Joaquim Ros

Grupo Bioquímica del Estrés Oxidativo
Unidad Metabolismo Celular del Hierro
Institut de Recerca Biomèdica de Lleida, Universitat de Lleida
Investigadores Principales: Dr. Jordi Tamarit y Dr. Joaquim Ros

Antecedentes:

La ataxia de Friedreich está causada por una deficiencia en una proteína denominada Frataxina. La función precisa que esta proteína desempeña en la célula es hasta cierto punto controvertida. Sin embargo, la mayoría de investigadores están de acuerdo en que su deficiencia provoca alteraciones en el metabolismo energético y en el manejo del hierro en el interior de la célula . Es conocido que dos de los tejidos más afectados en los pacientes de ataxia de Friedreich son el corazón y las neuronas de los ganglios de la raíz dorsal (DRGs). Sin embargo, hasta la fecha no se habían desarrollado modelos celulares de ausencia de frataxina utilizando cultivos primarios de dichos tejidos. Los modelos celulares son una herramienta clave para la investigación, puesto que permiten ensayar múltiples fármacos de una forma relativamente rápida. Además, los cultivos primarios permiten establecer conclusiones válidas de los resultados obtenidos, puesto que se trata de células que no han sido manipuladas genéticamente para mantenerlas indefinidamente en cultivo. En este sentido en nuestro grupo hemos desarrollado recientemente dos modelos celulares que permiten estudiar los efectos de la falta de frataxina en células cardíacas y en neuronas de las DRGs. Con dichos modelos hemos podido comprobar que la falta de frataxina provoca efectos claramente distintos en los dos tipos celulares. En células de corazón provoca alteración de la organización de las mitocondrias (responsables de producir la energía) y una alteración del metabolismo lipídico. Por otro lado, en las neuronas de los DRGs desencadena la degeneración y muerte celular a través de mecanismos conocidos como apoptosis. Uno de los aspectos más relevantes de nuestros resultados es que en este tipo de células hemos conseguido revertir este tipo de muerte mediante la adición de un péptido terapéutico a los cultivos de neuronas que bloquea la muerte apoptótica y, por tanto, restituye la viabilidad celular.

Objetivos.

1. Descubrir compuestos que permitan revertir los defectos causados por la falta de frataxina en células neuronales y cardíacas. Dichos compuestos pueden ser posteriormente testados en modelos murinos (de ratón) de la enfermedad. Si los resultados fueran positivos, podría plantearse eventualmente la realización de ensayos clínicos en pacientes
2. La identificación de biomarcadores mediante técnicas proteomicas y metabolomicas con el fin de contribuir al seguimiento de la evolución de la enfermedad, así como evaluar el efecto de posibles tratamientosLíneas actuales de investigación.

El desarrollo de estos objetivos se garantiza en base a las líneas de investigación actuales de nuestro grupo que se detallan a continuación:

– Búsqueda de nuevos compuestos terapéuticos. El hecho de poseer los modelos celulares neuronales y cardíacos de ataxia de Friedreich desarrollados por nuestro grupo nos permite ensayar el efecto de diversos tratamientos en los mismos tipos celulares que se encuentran afectados por la falta de frataxina Los modelos celulares in vitro permiten analizar el efecto de diversos compuestos con relativa rapidez.
– Búsqueda de biomarcadores. Mediante análisis metabolómicos y proteómicos de los modelos desarrollados se pretende identificar metabolitos o proteínas que se encuentren en diferentes cantidades entre los cultivos control y deficientes en frataxina. En este sentido, el análisis metabolómico de cardiomiocitos deficientes en frataxina nos ha permitido detectar un grupo de moléculas diferencialmente expresadas que en este momento se encuentran en fase de validación. Dicho grupo de compuestos pueden llegar a detectarse incluso en orina, lo que abre la puerta a su posible uso como biomarcadores. Cabe resaltar que en los servicios de Proteómica y Metabolómica de nuestra universidad se dispone de la infraestructura necesaria para desarrollar estos objetivos.
– Función de frataxina. A nuestro entender, aun quedan algunos aspectos por definir sobre la función precisa que desarrolla frataxina. Por tanto, una de nuestras líneas de investigación consiste en estudiar la función de frataxina en la mitocondria, especialmente su relación con el sistema OXPHOS mitocondrial
y con las defensas antioxidantes. Para ello nos servimos de diversos modelos: levadura, cardiomiocitos, líneas celulares y tejidos de rata.
– Adaptación de la célula a la falta de frataxina. Los estudios llevados a cabo en levaduras nos han permitido observar que la falta de frataxina conlleva una compleja remodelación del metabolismo energético. En este sentido uno de los intereses del grupo es analizar los efectos concretos de la falta de frataxina en las células neuronales y cardíacas. Para ello se utilizarán los modelos desarrollados por el grupo.
Beneficios esperados de las investigaciones

Identificar compuestos con capacidad de mitigar los efectos de la falta de Frataxina en neuronas y células cardíacas.

Desarrollar terapias más específicas derivadas de una mejor comprensión de la función de frataxina y de los efectos de su ausencia en las células estudiadas..

Integrantes del equipo de Investigación

Los investigadores actuales del grupo son los siguientes:

Dr. Jordi TamaritSumalla, Investigador principal

Dr. Joaquim Ros Salvador, Investigador principal

DraStefkaMincheva-Tasheva, Investigadora postdoctoral

Elia ObisMonné, Investigadora pre-doctoral

David Alsina Obiols, Investigador pre-doctotral

Publicaciones del grupo relacionadas con la ataxia de Friedreich

StefkaMincheva-Tasheva, Elia Obis, JordiTamarit, and JoaquimRos

BH4 domain of Bcl-xL protein protects Dorsal Root Ganglia neurons from degeneration caused by frataxin depletion

Sometido a revisión.Journal of Neuroscience.

ÈliaObis, Verónica Irazusta, Daniel Sanchís, Joaquim Ros and Jordi Tamarit

Frataxin deficiency in cardiomyocytes targets mitochondria and lipid metabolism

Sometido a revisión. Human Mol Genetics.

Moreno-Cermeño A, Obis E, Bellí G, Cabiscol E, Ros J, Tamarit J.

Frataxin depletion in yeast triggers up-regulation of iron transport systems beforeaffecting iron-sulfur enzyme activities.

J BiolChem. 2010, 285(53):41653-64.

Irazusta V, Obis E, Moreno-Cermeño A, Cabiscol E, Ros J, Tamarit J.

Yeast frataxin mutants display decreased superoxide dismutase activity crucial to promote protein oxidative damage.

Free Radic Biol Med. 2010 48(3):411-20.

Irazusta V, Moreno-Cermeño A, Cabiscol E, Ros J, Tamarit J.

Major targets ofiron-induced protein oxidative damage in frataxin-deficient yeasts are magnesium-binding proteins.

Free Radic Biol Med. 2008 May 1;44(9):1712-23.

Irazusta V, Cabiscol E, Reverter-Branchat G, Ros J, Tamarit J.

Manganese is the link between frataxin and iron-sulfur deficiency in the yeast model of Friedreich ataxia.

J.Biol Chem. 2006 May 5;281(18):12227-32.
Biochemistry of Oxidative Stress Group
Cellular Iron Metabolism Unit
Institut de Recerca Biomèdica de Lleida, Universitat de Lleida
Principal Investigators: Dr. Jordi Tamarit and Dr. Joaquim Ros
Background.
Friedreich’s ataxia is caused by a deficiency in a protein called frataxin. The precise role of this protein in cell is to some extent controversial. However, most authors agree that its deficiency causes changes in energy metabolism and in the management of the iron by the cell. It is known that two of the most affected tissues in Friedreich’s ataxia patients are the heart and dorsal root ganglia neurons (DRGs). However, to date, the effects of the absence of frataxin in cell models using primary cultures of those tissues had not investigated. Cellular models are a key research tool, since they allow testing multiple drugs in a relatively quick way. In addition, one of the benefits of primary cultures allow is that these cells have not been genetically engineered to keep them indefinitely in culture. In this sense, in our group we have recently developed two cell models to analyse the effects of the absence of frataxin in cardiac cells and neurons from DRGs. Using these models, we have seen that the absence of frataxin causes clearly different effects in the two cell types. In heart cells caused alteration of the mitochondrial organization (responsible for producing energy) and disturbances in lipid metabolism. On the other hand, in DRGs neurons it promoted degeneration and apoptotic cell death. One of the most important aspects of our results is that in this type of cells we reversed this type of death through the addition of a therapeutic peptide which blocks apoptotic death and, therefore, restores the cellular viability.
Objetives.
1. Discovering compounds able to revert defects caused by the absence of frataxin in neural and cardiac cells. These compounds can then be tested in murine models (for mouse) of the disease. If the results were positive, clinical trials in patients may be considered.
2. The identification of biomarkers using proteomic and metabolomic apporaoches in order to contribute to the follow-up of the evolution of the disease, as well as assessing the effect of possible treatments
Current research topics.
The development of these objectives is guaranteed on the basis of the current lines of research of our group, which are detailed below:
– Search for new therapeutic compounds. The neural and cardiac cell models developed by our group allow us to test the effect of various treatments on the same cellular types that are affected by the absence of frataxin. As they are in vitro cellular models, the analyses of the effect of various compounds at different concentrations can be performed.
– Search for biomarkers. The developed models are analysed by proteomic and metabolomic strategies in order to identify metabolites and proteins that are in different quantities between control and frataxin deficient cultures. In this sense, metabolomic analysis of frataxin deficient cardiomyocytes has allowed us to detect a group of differentially expressed molecules which are in validation phase at this time. Such group of compounds may be detected even in urine, which opens the door to their potential use as biomarkers. It should be noted that proteomics and metabolomics facilities are available at our University.
– Function of frataxin. In our view, the precise role that develops frataxin needs to be clarified in more detail. Therefore, one of our lines of research consists of studying the function of frataxin in mitochondria, especially its relationship with mitochondrial OXPHOS system and antioxidant defenses. For this purpose we use different models: yeast, cardiomyocytes, cell lines and rat tissues.
– Adaptation of the cell to the absence of frataxin. The studies carried out in yeast have allowed us to observe that the absence of frataxin entails a complex renovation of energy metabolism. In this sense one of the interests of the group
is to analyze the specific effects of the absence of frataxin in neuronal and cardiac cells. For this purpose we use the models developed by the group.
Expected benefits from research.
– Identifying compounds with ability to mitigate the effects of the absence of frataxin in neurons and heart cells.
– Develop more specific therapies derived from a better understanding of the function of frataxin and the effects of its absence in the studied cells.
Current members of the group
Dr. Jordi TamaritSumalla, PI
Dr. Joaquim Ros Salvador, PI
DraStefkaMincheva-Tasheva, Postdoctoral Researcher
Elia Obis Monné, Predoctoral Researcher
David Alsina Obiols, Predoctoral Researcher
Publications Related to Friedreich Ataxia
Stefka Mincheva-Tasheva, Elia Obis, Jordi Tamarit, and Joaquim Ros
BH4 domain of Bcl-xL protein protects Dorsal Root Ganglia neurons from degeneration caused by frataxin depletion
Submitted.Journal of Neuroscience.
Èlia Obis, Verónica Irazusta, Daniel Sanchís, Joaquim Ros and Jordi Tamarit
Frataxin deficiency in cardiomyocytes targets mitochondria and lipid metabolism
Submitted. Human Molecular Genetics.
Moreno-Cermeño A, Obis E, Bellí G, Cabiscol E, Ros J, Tamarit J.
Frataxin depletion in yeast triggers up-regulation of iron transport systems beforeaffecting iron-sulfur enzyme activities.
J BiolChem. 2010, 285(53):41653-64.
Irazusta V, Obis E, Moreno-Cermeño A, Cabiscol E, Ros J, Tamarit J.
Yeast frataxin mutants display decreased superoxide dismutase activity crucial to promote protein oxidative damage.
Free Radic Biol Med. 2010 48(3):411-20.
Irazusta V, Moreno-Cermeño A, Cabiscol E, Ros J, Tamarit J.
Major targets ofiron-induced protein oxidative damage in frataxin-deficient yeasts are magnesium-binding proteins.
Free Radic Biol Med. 2008 May 1;44(9):1712-23.
Irazusta V, Cabiscol E, Reverter-Branchat G, Ros J, Tamarit J.
Manganese is the link between frataxin and iron-sulfur deficiency in the yeast model of Friedreich ataxia.
J.Biol Chem. 2006 May 5;281(18):12227-32.