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Grupo de Biología de la Cromatina  
Dr .Alejandro Vaquero

Grupo de Biología de la Cromatina
Group Leader: Dr .Alejandro Vaquero



 
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  Group description

Grupo de Biología de la Cromatina


Líneas de Investigación

   La regulación de la vida celular está determinada por la información codificada en el ADN nuclear. En las células eucariotas, el ADN asocia con histonas para formar Cromatina. Entre los diferentes niveles reguladores que participan en la gestión de la información almacenada en el ADN, las modificaciones post-traduccionales de las colas N-terminal de las histonas son importantes por asegurar un control apropiado de las funciones asociadas ala cromatina. Estas modificaciones son en parte epigenéticas, lo cual implica que pueden ser transmitidas a su descendencia y en muchos casos son vitales para el mantenimiento de la memoria celular. La alteración de esta información epigenética tiene consecuencias notables en un amplio número de patologías humanas, como cáncer y otras. Entre estas modificaciones, acetilación y metilación en residuos de lisina son especialmente importantes para la regulación de la estructura de la Cromatina y expresión génica. El objetivo principal de nuestro laboratorio es entender los mecanismos que controlan la dinámica de la cromatina y en particular como estas modificaciones post-traduccionales interrelacionan con el resto de maquinaria de la cromatina para permitir una organización de la cromatina eficiente y saludable. De hecho, en relación con esto, estamos también interesados en las implicaciones funcionales de estos mecanismos en cáncer y envejecimiento. Para este propósito, nuestro laboratorio utiliza una aproximación combinada de Bioquímica, Biología Molecular y Celular para avanzar en el conocimiento de la  Biología de  la Cromatina.

 En particular, nuestros estudios se centran en un grupo de proteínas, la familia Sir2 o Sirtuínas, homologas del factor silenciador de levadura Sir2, una desacetilasa de histonas dependiente de NAD+ implicada en diferentes aspectos regulatorios de la cromatina tal y como silenciamiento epigenético, reparación y replicación de ADN, recombinación, etc... Dos características hacen especialmente interesante la familia Sir2: Primero, que su actividad catalítica requiere el cofactor metabólico redox NAD+, lo que permite a sus miembros actuar como sensores del metabolismo celular.
Segundo, miembros de esta familia muestran una íntima relación con la regulación de los niveles de una modificación específica, la acetilación de la lisina 16 en la histona H4 (H4K16Ac), implicada en múltiples funciones que van desde la estructura de la cromatina, expresión génica y cáncer a múltiples procesos epigenéticos durante la evolución.

Aun así, no todos las Sirtuínas son desacetilasas, y de hecho algunas poseen en cambio una actividad mono-ADP-ribosiltransferasa. Las Sirtuínas han sido relacionadas funcionalmente con muchas patologías humanas como cáncer, enfermedades neurológicas como Alzheimer o Parkinson, malaria, leishmaniosis, y otras patologías relacionadas con el sistema endocrino. Aun así, los mecanismos por los cuales estas proteínas están implicadas en estos procesos son relativamente desconocidos.

En nuestro laboratorio pretendemos caracterizar el papel de estas Sirtuínas en la regulación de la cromatina y sus implicaciones funcionales en cáncer, viabilidad celular e integridad geonómica. De las siete Sirtuínas de mamífero (SirT1-7), únicamente SirT1, 2, 6, 7 y posiblemente 3 parecen estar relacionadas funcionalmente con cromatina. De hecho, cada una de ellas está implicada en un aspecto particular de regulación de cromatina diferente de las demás. Nuestras líneas principales de investigación están definidas de hecho por cada una de estas Sirtuínas y su papel específico correspondiente en cromatina:

* SIRTUÍNAS en la organización del Genoma y la estructura de la Cromatina (SIRT1)

 Nuestros estudios han mostrado que SirT1 está implicado en la formación de Heterocromatina a través de su relación funcional con Suv39h1, la histona H1 y otros factores. SirT1 coordina múltiples procesos que promueven la formación de heterocromatina y tiene un papel clave en la organización nuclear de la cromatina como se demuestra claramente por la pérdida de los niveles de H3K9me3 y HP1 en regiones de heterocromatina constitutiva en ratones deficientes para SirT1 (Fig.1). La pérdida tanto de H3K9me3 como de HP1 se relaciona con una pérdida en la estructura de heterocromatina en estas regiones.

Figura 1. Distribución de H3K9me3 y Heterochromatin Protein HP1 en regiones heterocromáticas (fuertemente teñidas por DAPI) en MEFs derivados de ratones WT y SirT1-/-. La pérdida de SirT1 correlaciona con la pérdida de H3K9me3 y HP1 en estas regiones en el 50% de las células observadas. (De Vaquero et. al., Nature (2007)).
En esta línea de trabajo también pretendemos caracterizar las implicaciones de esta función en la bien establecida pero no completamente entendida relación entre SirT1 y cáncer.

* SIRTUÍNAS y control de Ciclo Celular (SIRT2)

SirT2 muestra una localización citoplasmática y es responsable de la pérdida global de los niveles de H4K16Ac en la transición G2/M, cuando es activamente transportada al núcleo (Fig.2).


Figura 2. Niveles de H4K16Ac en el Ciclo Celular. Los niveles de H4K16Ac son máximos alrededor de la fase S y decrecen dramáticamente antes de la entrada en Mitosis por el efecto de SirT2 (panel izquierda). Esto se muestra claramente en estudios de inmunofluorescencia (panel derecho), en los cuales las células en fases iniciales de mitosis (indicada por una flecha amarilla), con niveles débiles de fosforilación en la Serina 10 de la Histona H3, un marcador de mitosis (imagen medio), ya muestra una pérdida casi completa de H4K16Ac (imagen inferior). El ADN está indicado por la tinción con DAPI (imagen superior) (de A. Vaquero. et. al., Genes Dev (2006) y datos sin publicar).

Aunque las implicaciones funcionales de esta bajada de los niveles de H4K16Ac antes de la entrada en Mitosis no son claras, la pérdida de SirT2 a ratones knockout muestra un retardo de las células en la entrada a fase S. En esta línea de investigación pretendemos entender a) si la función de SirT2 es totalmente dependiente de su papel en el control de los niveles de H4K16Ac, y b) el papel de H4K16Ac en la progresión por el ciclo celular. Adicionalmente y en relación con esto, pretendemos estudiar ciertas evidencias hasta ahora inexplicables: La pérdida de la principal metiltransferasa de histonas de la modificación H3K9me3, Suv39h1, un regulador clave de la organización de la cromatina, o de SirT2, produce una localización aberrante de H4K16Ac en dominios de Heterocromatina Constitutiva (Fig. 3).


 Figura 3. Localización de H4K16Ac en MEFs (Fibroblasts Embrionarios de Ratón) derivados de ratones WT, Suv39h-/- o SirT2-/-. La tinción con DAPI indica el ADN. La pérdida de Suv39h (Suv39h1/2) o de SirT2 correlaciona con una relocalización de H4K16Ac desde regiones eucromáticas a heterocromáticas en aproximadamente el 100% de células observadas (Suv39h) o el 15-20% (SirT2). En estudios similares, H4K12Ac o H4K5Ac, dos modificaciones también de la cola N-terminal de la histona H4 no deslocalizan en las mismas condiciones. (De Vaquero et. al., Nature (2007), Vaquero et. al., Genes Dev (2006) y datos sin publicar).

* SIRTUÍNAS y Reparación de ADN (SIRT6)

 SirT6 ha sido implicado en el mantenimiento de la estabilidad genómica. Se ha hipotetizado que SirT6 participa en la reparación de ADN, pero se desconoce si este papel es directo y cuáles son sus sustratos funcionales. En esta línea pretendemos caracterizar SirT6 desde un punto de vista Bioquímico y de Biología Celular para entender su función.

* SIRTUÍNAS y función Nucleolar (SIRT7)

SirT7 es la única Sirtuína exclusivamente localizada en el nucléolo. Estudios recientes han mostrado que SirT7 parece participar en activación de la trascripción por RNA-polimerasa-I a través de un mecanismo desconocido. Por ahora no se ha descrito ningún sustrato para SirT7. En esta línea pretendemos entender el papel de SirT7 en el nucléolo a través de la caracterización bioquímica de la proteína, el aislamiento e identificación de sus sustratos y la relación funcional entre SirT7 y la otra Sirtuína presente en el nucléolo, SirT1.


  Leader Bio
 
Alejandro Vaquero (Barcelona, España, 1971) se licenció en Bioquímica en la Universidad de Barcelona el año 1994, y recibió su Doctorado “Cum Laude” en la misma universidad el año 2000 por su contribución a la caracterización del papel del factor de Drosophila GAGA en la transcripción.  Durante su época Predoctoral, el trabajo del Dr. Vaquero contribuyó a la comprensión de los mecanismos involucrados en la regulación de la expresión génica.  En particular, su trabajo caracterizó GAGA, involucrada en la regulación de la cromatina y el desarrollo, como activador de la transcripción dependiente de ARN-Polimerasa II.  En otros estudios, se determinó el efecto de algunos fármacos antitumorales intercaladotes de ADN sobre la trasncripción.  El año 2000, el Dr. Vaquero se incorporó al laboratorio del Dr. Danny Reinberg (HHMI, PIscataway, NJ, EEUU), como investigador postdoctoral donde contribuyó de forma significativa al campo de la epigenética de la cromatina, a través del estudio del papel de las Sirtuínas, una familia de desacetilasas dependientes de NAD+ homologas del factor silenciador de levadura Sir2, en la regulación funcional de la cromatina.  El trabajo del Dr. Vaquero ha demostrado un papel clave de SirT1 en la organización global de la cromatina a través de la formación de estructuras compactadas de cromatina (Heterocromatina) y ha descrito por primera vez un vínculo directo entre las Sirtuínas y el Cáncer.

Otra contribución significativa de su trabajo ha sido la identificación de otra Sirtuína, SirT2, como reguladora dependiente de ciclo celular de los niveles globales de acetilación de la lisina 16 de la histona H4 (H4K16c), una modificación involucrada en numerosos fenómenos epigenéticos a través de la evolución con un papel único en la regulación de la estructura de la cromatina, la expresión génica y el cáncer. El año 2001, pasó a ser Howard Hughes Research Asociate, posición que ocupó hasta finales del año 2005.  Volvió a España como Investigador I3P (CSIC) en el Instituto de Biología Molecular de Barcelona (IBMB-CSIC, Barcelona, España) donde fue nominado Investigador Icrea en diciembre del año 2006.  Durante esta época, además de continuar con su trabajo en Sirtuínas, participó en la identificación y caracterización funcional de las modificaciones posttraduccionales de la Histona H1 e la estructura de la cromatina. En enero de 2008, el Dr. Vaquero se convirtió en Jefe de Grupo Sénior del Laboratorio de Biología de la Cromatina del Programa de Epigenética y Biología del Cáncer (PEBC) del Instituto de Investigación Biomédica de Bellvitge (IDIBELL, Barcelona, España), centrando sus estudios actuales en los mecanismos epigenéticos que controlan la dinámica funcional de la cromatina.

Las contribuciones científicas del Dr. Vaquero se han publicado en algunas de las revistas más prestigiosas, tales como Nature, Cell, Molecular Cell y Genes and Development. Ha escrito varias revisiones, dos capítulos de libro y es co-inventor de una solicitud de patente sobre un nuevo método de ensayo de la actividad de las Sirtuínas en células en cultivo, que ya han estado licenciadas por la compañía farmacéutica SIRTRIS Pharmaceuticals, Inc. (Boston, USA).  Miembro de la Sociedad Española de Bioquímica y de la Sociedad Catalana de Biología, el Dr. Vaquero ha sido galardonado con un contrato Ramón y Cajal (2006), una posición Investigador ICREA (2006), una Marie Curie Reintegration Grant de la Unión Europea (2006) y una posición de Jefe de Grupo Sénior PEBC (2007).

       
  Selected publications

 

 flecha Vaquero A., Reinberg D. Sirtuins in biology and disease. Epigenetics in Biology and Medicine. (Ed. M. Esteller), CRC Press-Taylor and Francis Group. In press (2008)

 flecha Vaquero, A, Blanch M, Espinas MLL, Bernues J. Activation properties of GAGA transcription factor. Biochimica et Biophysica Acta. 1779(5):312-317 (2008)

 flecha Lloret-Llinares M., Carré C., Vaquero A., de Olano N., Azorín F. Characterisation of histone demethylase activity of the JmjC+N-proteins of Drosophila melanogaster. Nucleic Acids Res. 36(9):2852-63 (2008)

 flecha Vaquero A, Scher M, Erdjument-Bromage H, Tempst P, Serrano L, Reinberg D. SIRT1 regulates the histone methyl-transferase SUV39H1 during heterochromatin formation. Nature , 450, 440-4, 2007.

 flecha Trojer P, Li G, Sims RJ 3rd, Vaquero A, et al. L3MBTL1, a histone-methylation-dependent chromatin lock. Cell , 129(5), 915-28, 2007.

 flecha Vaquero A, Sternglanz R, Reinberg D.NAD+-dependent deacetylation of H4 lysine 16 by class III HDACs. Oncogene , 26(37), 5505-20, 2007.

 flecha Scher MB, Vaquero A, Reinberg D. SirT3 is a nuclear NAD+-dependent histone deacetylase that translocates to the mitochondria upon cellular stress .Genes Dev., 21(8):920-8, 2007.

 flecha Vaquero A, Scher M, Lee DH, Sutton A, Cheng HL, Alt F, Serrano L, Sternglanz R, Reinberg D. SirT2 is a histone deacetylase with preference for histone H4 Lys 16 during mitosis. Genes Dev., 20(10), 1256-61, 2006.

 flecha Vaquero A, Scher M, Lee DH, Erdjument-Bromage H, Tempst P, Reinberg D. Human SirT1 interacts with histone H1 and promotes formation of facultative heterochromatin. Mol Cell., 16(1), 93-105, 2004.

 flecha Reinberg D, Chuikov S, Farnham P, Karachentsev D, Kirmizis A, Kuzmichev A, Margueron R, Nishioka K, Preissner TS, Sarma K, Abate-Shen C, Steward R, Vaquero A. Steps toward understanding the inheritance of repressive methyl-lysine marks in histones. Cold Spring Harb Symp Quant Biol., 69, 171-82, 2004.

 flecha Vaquero A, Loyola A, Reinberg D. The constantly changing face of chromatin. Sci Aging Knowledge Environ., 2003(14), RE4., 2003.

 flecha Jiménez-García E, Vaquero A, Espinós ML, Soliva R, Orozco M, Bernués J, Azorín F. The GAGA Factor of Drosophila Binds Triple-stranded DNA. J. Biol. Chem., 273(38), 24640-8,1998.

 flecha Jiménez-García E, Vaquero A, Espinós ML, Soliva R, Orozco M, Bernués J, Azorín F. The GAGA Factor of Drosophila Binds Triple-stranded DNA. J. Biol. Chem., 273(38), 24640-8,1998.


 

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Dr. Alejandro Vaquero

 Jefe de Grupo

avaquero@idibell.cat

Dra. Laia Bosch

 Investigador Postdoctoral

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Dra. Anna Marazuela

 Investigador Asociado

amarazuela@idibell.cat

 
 

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