Mecanismos de memoria y herencia molecular en redes de señalización y regulación génica de células madre pluripotentes

• Autores: Sevlever, Federico
• Año de publicación: 2022
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Ventura, Alejandra Cristina; Miriuka, Santiago
• Materia: CELULAS MADRE; PLURIPOTENCIA; CICLO CELULAR; DIFERENCIACION; MEMORIA MOLECULAR; RED DE REGULACION GENICA; BIESTABILIDAD; STEM CELLS; PLURIPOTENCY; CELL CYCLE; DIFFERENTIATION; MOLECULAR MEMORY; GENE REGULATORY NETWORKS; BISTABILITY
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Esta tesis consiste en el estudio del ciclo celular de células madre pluripotentes (CMP) en diferenciación y los mecanismos moleculares que pueden almacenar memoria de un estímulo externo. Pretende mostrar cómo existen factores hereditarios que determinan el ciclo, y estudiar los mecanismos de herencia y memoria molecular dentro de las redes de regulación génica. Se divide en 3 capítulos. El primero aborda el estudio del ciclo celular y sus fases durante el proceso de diferenciación temprana en las CMP de embrión de ratón. Estas células fueron genéticamente modificadas para fluorescer en dos colores marcando las fases del ciclo, y ser filmadas por microscopía de time-lapse. Los análisis incluyen medidas del ciclo celular a nivel de célula única, construcción de dendrogramas de linajes celulares y el diseño y aplicación de algoritmos para probar si las relaciones familiares determinan la duración del ciclo celular. El resultado principal es que, durante la diferenciación, el ciclo se acorta y las células proliferan a mayor velocidad. Además, la duración del ciclo de una célula está determinada por las células progenitoras, probando que existen factores parentales que controlan la tasa de proliferación. Sin embargo, una de las dificultades a la hora de encontrar cuáles son estos factores, encontrar candidatos y compararlos es, por un lado, la falta de cuantificadores de memoria almacenada en las redes de regulación génica y, por otro, la falta de un catálogo de mecanismos moleculares capaces de almacenar memoria. El segundo capítulo, por su parte, consiste en el desarrollo de un cuantificador matemático de la memoria molecular en redes complejas, aplicado principalmente a vías de señalización celular y redes de regulación génica, que guardan información de estímulos transitorios. Una vez definido el cuantificador, se utilizó para buscar mecanismos o motifs de 1, 2 y 3 nodos que fueran capaces de almacenar información de estos estímulos. Los resultados principales consisten en que los ciclos de retroalimentación positiva son esenciales para dar multiestabilidad y memoria a las redes. Además, las redes capaces de oscilar de manera autónoma también pueden guardar información en la fase de la oscilación. El tercer y último capítulo consiste en una serie de experimentos en las mismas células que se utilizaron en el primer capítulo. El objetivo es detectar la existencia de mecanismos capaces de almacenar memoria. Para esto, tratamos a las células con un estímulo de diferenciación transitorio y luego aplicamos el cuantificador desarrollado en el segundo capítulo. El resultado es que, luego de solo un día expuestas al estímulo de diferenciación, las células lo recuerdan y continúan con el proceso de diferenciación. Asimismo, es probable que esta memoria se deba a la existencia de alguna retroalimentación positiva entre los factores de transcripción marcadores de la pluripotencia.
This thesis is focused on the study of cell cycle in pluripotent stem cells (PSC) during differentiation and on the molecular mechanisms which can store the memory of an external stimulus. It aims to show if there are hereditary factors that determine it, and to study the mechanisms of inheritance and molecular memory within gene regulatory networks. It is organized into three chapters. The first chapter deals with the study of the cell cycle and its phases during the early differentiation process in mouse embryo PSCs. These cells were genetically modified to fluoresce in two colors marking the phases of the cycle, and to be filmed by time-lapse microscopy. Analyzes include cell cycle measurements at the single cell level, construction of cell lineage dendrograms, and the design and application of algorithms to test whether familial bonds determine cell cycle length. The main result is that, during differentiation, the cycle is shortened, and cells proliferate at a faster rate. Furthermore, the length of a cell cycle is determined by the progenitor cells, proving that there are hereditary factors that control the rate of proliferation. However, one of the needs in finding out what these factors are, obtain candidates and compare them is, on one hand, the lack of memory quantifiers stored in gene regulation networks and, on the other hand, some catalog of the molecular mechanisms capable of storing memory. This issue is addressed in the next chapter. The second chapter deals with the development of mathematical quantifier to account for molecular memory in complex networks, applied mainly to signaling and gene regulatory networks which store information of transient stimuli. Once defined, we use the quantifier to look for 1,2 & 3 nodes mechanisms or motifs capable of stimuli information storage. The main results consist of positive feedbacks being essential to provide multistability and memory to networks. Furthermore, oscillating networks can also store information in their phase. The third and last chapter is a description of experiments performed on the same cells used in the first chapter. The aim of these experiments is to detect mechanisms capable of storing memory. To accomplish this, we give a differentiation stimulus and apply the memory quantifier developed in the second chapter. The main result is that, after only one day exposed to a differentiation stimulus, cells remember it and continue its progression through the differentiation process. In addition, this memory is probably due to the existence of a positive feedback between pluripotency transcription factors.
Fil: Sevlever, Federico. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.