Una de las primeras lecciones de biología de su infancia probablemente ocurrió cuando su cuerpo le demostró que su piel es un órgano capaz de autorregenerarse. De hecho, la curación de heridas es un proceso fascinante en el que las células llevan a cabo una coreografía precisa y compleja que incluye la diferenciación celular y la regulación de la expresión genética. Nuestro laboratorio estudia un tipo de célula particular llamado fibroblastos dérmicos. Si se produce una herida, migran al sitio de la lesión, se transforman en células similares a músculos (miofibroblastos) que se contraen para ayudar con el cierre y, una vez que la herida ha sanado, entran en muerte celular programada para limpiar el área de trabajo. La interrupción de este proceso puede provocar úlceras crónicas o cicatrices queloides. Un objetivo importante de nuestros estudios es comprender cómo se regula la transición de fibroblastos a miofibroblastos, de modo que se puedan diseñar estrategias terapéuticas para prevenir y tratar este problema generalizado. Además de nuestra motivación por comprender la curación para aprender a controlarla y curar sus patologías, el calentamiento es un sistema accesible para estudiar eventos de diferenciación más generales implicados en la regeneración de tejidos. Al estudiar los cambios que sufren los fibroblastos durante la curación, revelamos un importante mecanismo de regulación genética que podría ayudar a explicar de manera más general cómo las células mantienen una identidad particular y cómo pueden ser conducidas a un estado diferente. Se sabe que las moléculas que identificamos controlan la actividad genética general, así como la organización espacial de los genes dentro del núcleo de la célula. Además, durante nuestras investigaciones hemos demostrado que el mecanismo que identificamos inicialmente en la cicatrización de heridas es general para muchos otros procesos de reprogramación, como por ejemplo la pluripotencia inducida. Una de las formas en que nuestro laboratorio estudia cómo las células controlan la actividad genética es visualizando directamente la expresión genética. Utilizando microscopía altamente especializada, bioquímica y análisis informáticos, podemos observar el comportamiento de moléculas reguladoras de genes individuales dentro de células vivas individuales. Hemos construido un nuevo microscopio llamado microscopio Lattice Light Sheet que nos permite visualizar los movimientos de proteínas individuales y su unión dentro de las células de un organismo en desarrollo. Estamos probando este sistema en embriones de mosca de la fruta en desarrollo y muy rápidamente lo utilizaremos para obtener imágenes de los procesos moleculares implicados en la definición del tipo de célula en sistemas de desarrollo humano desarrollados utilizando células ES. Continuaremos utilizando y mejorando estos métodos para comprender mejor cómo se controlan los genes. Estos estudios abrirán la puerta a nuevas estrategias de reprogramación celular y potencialmente a nuevas estrategias para modificar células para uso terapéutico.

Período de información:

Los estudiantes de Year 5

Durante los casi cinco años del premio CIRM, hemos reconstruido nuestros microscopios dedicados a obtener imágenes de moléculas individuales en células vivas y hemos desarrollado microscopios y tecnologías para transponer estos métodos al desarrollo de embriones y tejidos más complejos. Además de los microscopios, parte del grupo se ha dedicado al desarrollo de herramientas computacionales para analizar y optimizar nuestras imágenes. Nuestro trabajo sobre la organización nuclear en las células ES ya está en marcha. Hemos desarrollado métodos para comprender cómo se mantienen los factores de transcripción en la cromatina durante la división celular, lo cual es esencial para estudiar la estabilidad de un programa transcripcional durante las decisiones sobre el destino celular, ya que ocurre concomitantemente con el crecimiento celular. Estudiar la organización en el espacio y el tiempo de un complejo lamido CTCF y Cohesin también es fundamental para comprender cómo se forman y mantienen los TAD y, en última instancia, cómo se potencian los potenciadores para actuar sobre genes específicos en un momento particular durante las decisiones sobre el destino celular. Todos estos estudios ahora se beneficiarán enormemente de nuestra capacidad para realizar mediciones de moléculas individuales en embriones y de las nuevas herramientas que hemos desarrollado para medir directamente la formación de bucles en células vivas. En 5 publicamos 2019 artículos que demostraron que la geometría de exploración nuclear de CTCR depende de su interacción con el ARN y es esencial para su búsqueda eficiente de objetivos. Nuestros resultados fueron publicados y ahora abrirán la puerta a un nuevo campo de estudio en el que ahora tenemos acceso al mecanismo que regula las interacciones de proteínas en células vivas. Nuestro trabajo que caracteriza la dinámica y cinética del Complejo de Preiniciación se está expandiendo desde el mediador hasta TFIID y SAGA. Hemos desarrollado un sólido programa que analiza las interacciones débiles y transitorias mediadas por dominios intrínsecamente desordenados y que median grupos locales de proteínas en el nucleoplasma. Actualmente estamos explorando su relevancia funcional para la regulación de la transcripción. Durante el último año hemos desarrollado un fuerte programa

Detalles de la solicitud de subvención

Titulo de la aplicación:

Biofísica de una sola molécula y biología de la identidad celular

Resumen público:

Una de las primeras lecciones de biología de su infancia probablemente ocurrió cuando su cuerpo le demostró que su piel es un órgano capaz de autorregenerarse. De hecho, la curación de heridas es un proceso fascinante en el que las células llevan a cabo una coreografía precisa y compleja que incluye la diferenciación celular y la regulación de la expresión genética.

Nuestro laboratorio estudia un tipo de célula particular llamado fibroblastos dérmicos. Si se produce una herida, migran al sitio de la lesión, se transforman en células similares a músculos (miofibroblastos) que se contraen para ayudar a cerrar la herida y, una vez que la herida ha sanado, entran en la muerte celular programada para despejar el área de trabajo. La interrupción de este proceso puede provocar úlceras crónicas o cicatrices queloides. Un objetivo importante de nuestros estudios es comprender cómo se regula la transición de fibroblastos a miofibroblastos, de modo que se puedan diseñar estrategias terapéuticas para prevenir y tratar este problema generalizado.

Además de nuestra motivación por comprender la cicatrización de heridas para aprender a controlarla y curar sus patologías, la cicatrización de heridas es un sistema accesible para estudiar eventos de diferenciación más generales implicados en la regeneración de tejidos. Al estudiar los cambios que sufren los fibroblastos durante la cicatrización de heridas, revelamos un importante mecanismo de regulación genética que podría ayudar a explicar de manera más general cómo las células mantienen una identidad particular y cómo pueden ser conducidas a un estado diferente. Se sabe que las moléculas que identificamos controlan la actividad genética general, así como la organización espacial de los genes dentro del núcleo de la célula. Los estudios propuestos aquí investigarán más a fondo esos hallazgos.

Una de las formas en que nuestro laboratorio estudia cómo las células controlan la actividad genética es visualizando directamente la expresión genética. Utilizando microscopía, bioquímica y análisis informáticos altamente especializados, podemos observar el comportamiento de moléculas reguladoras de genes individuales dentro de células vivas individuales. Continuaremos utilizando y mejorando estos métodos para comprender mejor cómo se controlan los genes. Creemos que estos estudios abrirán la puerta a nuevas estrategias de reprogramación celular y potencialmente a nuevas estrategias para modificar células para uso terapéutico.

Declaración de beneficio para California:

Nuestro programa de investigación incluye estudios traslacionales y clínicamente relevantes sobre la curación de heridas, el desarrollo y la transferencia de nuevas tecnologías de imágenes para permitir a los investigadores visualizar el comportamiento de moléculas individuales dentro de las células vivas, y estudios biológicos básicos que buscan comprender los mecanismos fundamentales de la regulación genética que controlan las células madre. Pluripotencia y diferenciación. Estos esfuerzos beneficiarán al Estado de California de varias maneras diferentes y superpuestas. El desarrollo exitoso de terapias basadas en células madre depende de la capacidad de controlar la identidad y el destino celular. Al contribuir a la comprensión de los mecanismos reguladores de genes fundamentales que controlan la pluripotencia y la diferenciación de tejidos específicos, la investigación propuesta aquí tiene el potencial de influir e impactar positivamente una amplia gama de estudios de medicina regenerativa en curso en el estado. Las úlceras cutáneas crónicas son un problema médico humano generalizado y peligroso. Los tratamientos actuales pueden ser lentos y dolorosos y, con demasiada frecuencia, ineficaces, lo que resulta en la necesidad de amputar una extremidad. El verdadero costo económico y personal de las úlceras crónicas es difícil de cuantificar porque las investigaciones de salud pública las incluyen con mayor frecuencia como un síntoma de enfermedad sistémica. Sin embargo, en 2009 se estimó que las úlceras crónicas afectaban a 6.5 millones de pacientes en Estados Unidos, con costos de tratamiento que superaban los 25 mil millones de dólares. Nuestra identificación de factores específicos que controlan la transición de fibroblastos a miofibroblastos sugiere nuevos enfoques para el diagnóstico diferencial y el tratamiento de heridas crónicas utilizando fibroblastos y miofibroblastos como objetivos directos o agentes terapéuticos. La capacidad de detectar, rastrear y manipular moléculas reguladoras de genes individuales en células humanas vivas es una tecnología disruptiva que ya está teniendo un impacto importante en la biología del desarrollo y la investigación de células madre. Las tecnologías para obtener imágenes de moléculas individuales en células vivas están evolucionando tan rápidamente que son difíciles de comercializar y, por lo tanto, están disponibles sólo para un número relativamente pequeño de laboratorios que pueden construir estos sistemas a partir de componentes. Nuestro laboratorio servirá como centro para ayudar a desarrollar estas tecnologías y ayudar a otros laboratorios a adoptar estas nuevas y poderosas herramientas de investigación. California también tiene una rica base industrial en desarrollo e ingeniería de microscopía. El desarrollo y la implementación de nuevas tecnologías de imágenes de células vivas de súper resolución, como las que proponemos aquí, ofrecerán muchas oportunidades de colaboración entre la industria y el mundo académico, abriendo nuevos mercados y permitiendo la difusión de estas innovaciones en los laboratorios académicos y biofarmacéuticos. Esta sinergia, a su vez, acelerará la investigación en terapéutica regenerativa.

Publicaciones

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