Computaional Modeling of Early Cleavage in Metazoans: the Case of the Spiral Pattern
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Grup de Genòmica, Bioinformàtica i evolució) Author: MIGUEL ANGEL BRUN USAN Director: Dr. Isaac Salazar Ciudad Bellaterra, de de 2016. Facultad de Biociències Departament de Genètica i de Microbiologia (Grup de Genòmica, Bioinformàtica i Evolució) Facultat de Biociències. Edifici C 08193 Bellaterra (Cerdanyola del Vallès) TEL +34 93 581 27 24 FAX +34 93 581 23 87 Dr. ISAAC SALAZAR CIUDAD, Profesor Contratado Doctor y director de la presente Tesis doctoral, HACE CONSTAR QUE: La Tesis escrita por Miguel Angel Brun Usan es apta para ser leída y defendida en público, puesto que reúne todos los requisitos propios de este tipo de trabajo: rigor científico, resultados originales y aplicación de una metodología adecuada. No menos importante, la linea de trabajo desarrollada en esta Tesis es fácilmente generalizable a otros grupos animales, abriendo nuevas vías de investigación futura. Además, el doctorando ha demostrado capacidad y autonomía a la hora de implementar las diferentes lineas de investigación. La presente Tesis cumple con creces los objetivos planteados en el proyecto inicial. Desde el principio, se propuso crear un modelo computacional capaz de reproducir los diferentes patrones de clivaje observados durante el desarrollo temprano de diferentes animales. Dicho modelo permitiría arrojar luz sobre los diferentes procesos celulares que dan lugar a los diferentes patrones de clivaje, así como sobre los factores que median en las transiciones evolutivas entre esos patrones. Además, contando con un modelo suficientemente realista, los resultados obtenidos podrían compararse cuantitativamente con embriones reales. La complejidad técnica del proyecto exigió un planteamiento secuencial en la ejecución del mismo: 1) Con el objetivo de introducir al doctorando en la modelizacion bioinformática, se elaboró un modelo computacional (toy-model) sobre la evolución adaptativa de fenotipos complejos. 2) Se desarrolló un modelo matemático general de desarrollo embrionario capaz de simular el desarrollo de cualquier tipo de órgano o tejido. El doctorando, utilizando las habilidades informáticas adquiridas en el punto (1), participó desarrollando partes relevantes que permitirían mas tarde el modelado de los patrones de clivaje. 3) Se llevó a cabo un trabajo de revisión bibliografica que resume el conocimiento actual en el desarrollo temprano de todos los grupos animales, haciendo hicapié en los mecanismos celulares implicados en los diferentes patrones de clivaje. 4) Con el modelo desarrollado en el punto (2) y el conocimiento adquirido en el punto (3), se elaboró un modelo de clivaje espiral. El patrón de clivaje espiral es un tipo de clivaje representativo y extendido entre los metazoos y del que se dispone de abundante bibliografía al respecto. Ademas, la elección del patrón espiral permitió contar con embriones reales que comparar con los resultados. Cabe destacar que cada fase del proyecto ha dado lugar a un artículo científico en publicaciones de prestigio internacional y considerable impacto (Journal of Evolutionary Biology (1), Bioinformatics (2), Development (4)) (A fecha de depósito de Tesis, 27 de Septiembre de 2016, la última se halla aceptada pero pendiente de publicación) Los resultados presentados en esta tesis contribuyen de manera significativa al avance del campo de la biología evolutiva y de la biología del desarrollo. Por un lado, los experimentos in silico realizados con el modelo de desarrollo temprano han arrojado luz sobre el largamente debatido origen del patron de clivaje espiral, y han permitido rechazar algunas teorías preexistentes al respecto. Por otro lado, las nuevas técnicas informáticas y de morfología cuantitativa desarrolladas en la presente tesis son de amplia aplicabilidad dentro del campo del desarrollo temprano, por lo que otros grupos de investigación podrían beneficiarse de las mismas. En general, la calidad de esta tesis es alta, tanto en lo referente al número de publicaciones como a la calidad de éstas. Durante la elaboración de esta tesis, el doctorando ha demostrado una comprensión profunda en el campo de la biología evolutiva y de la biología del desarrollo, así como una capacidad de sintetizar dicha comprensión en modelos matemáticos que a buen seguro tendrán un impacto duradero en el campo. Dr. Isaac Salazar Ciudad. En Barcelona, a de de 2016 FUNDING: During most of time (year 2011 to 2015), this Thesis was funded by the Spanish Ministry of Science and Innovation by means of the Grant (BES2011-046641), framed within the project (BFU2010-17044: “Modelos de redes genéticas y celulares en el desarrollo embrionario animal y la evolución”). In 2016, it was partially funded by the the Finnish Academy (WBS 1250271) and partially by the Spanish INEM. To all people who have taught me new things (A todos los que me han enseñado cosas nuevas) ACKNOWLEDGEMENTS: I thank my supervisor Isaac Salazar-Ciudad for his advice and training, and for allowing me to enter in the world of science. Other scientists have been fundamental during the development of this Thesis: Dr. Jukka Jernvall, from Helsinki University in Finland, Dr. Stuart A. Newman, from the New-York Medical College in USA and Dra. Cristina Grande, from the CBMSO, in Madrid. Thank you. I also thank my Lab colleagues and coworkers: Miquel Marin-Riera, Irepan Salvador- Martinez, Roland Zimm, Tommi Välikangas, Anton Chernenko, Fernando Urbano, Pascal Hagolani, Alexis Matamoro and Mona Christensen for their helpful comments, fruitful discussions, manuscript reviews and for creating a friendly and peaceful working environment. I would like also thank the teachers and researchers of the Departament de Genetica i microbiologia in Barcelona, who share with me their pasion for evolutionary biology. Special mention to Dr. Antonio Barbadilla and Dr. Alfredo Ruiz for their wise advices. I also thank the members of the Thesis Monitoring Committee, Dra. Alba Hernandez, Dr. Ricard Marcos and Dr. Alfredo Ruiz for their advices and guidance. I am also very thankful to the Thesis Tribunal, and to all the presents for your assistance. In addition, I would like also mention some people who, not strictly belonging to the academic area in which this Thesis has been developed, have been fundamental in order for it to be carried out. I would like to thank them. My parents, for the freedom of choice they offered me and their unconditional support. My brother, for becoming an example of personal overcoming. To my uncle Jose Luis Usan and my grandfather Jose Usan, since they let me know the pleasure of the knowledge of nature. To my grandmother, for her long-distance support. Also to my uncle Jaime Brun for his “inverse motivation” (he told me during my childhood I will never become a biologist). To Cris, who endures the science as my other love, and keeps me firmly attached to the solid ground of tangible things. Thanks. During my learning stage of life (which lasts until now), many people have influenced me to be a biologist, and this I would like to thank them. They are the irreplaceable friends from my village (especially those belonging to the biological association SAB); my “grandfiend” Malocha, authodidact naturalist; and the adventurers Jesus and Lucía, who taught me that knowledge does not finish just in books. Some wonderful teachers I have had in the public Spanish education and academic system also deserve a place in this list: Ruben Peña, Jesus Molledo, Carmelo, Manuel Hernandez, Patricio Dominguez … and DonGuillermo (written that way), whose lessons were well beyond the scope of primary school. Many biologists and scientists have also contributed to sculpt my passion for biology and science in general, and thus have played a role in this thesis, as large-effect motivational agents: Mario, Isaac, Irene, Agus, Freiji, Ali, Pantxo, Yulan, Gabi, Gise, Luz, Carmen, Wessos, Paula, Joaquin, Ruben, Whyshu, Marco, the physicists Ruben and Daniela … (the list is open ended and always growing). Thank you all for your almost infinite talks about evolution, cosmology, nature, ethology, sociology, physic, maths …. and all those marvelous topics contained within this Universe. Despite the fact I do not know them personally (some of them rest at just one node far away in the dense network of human and academic relationships), some people have influenced my scientific thought such a way I feel obligated to include them in this acknowledgment list: the more prominent are Isaac Asimov, Carl Sagan, Stephen Jay Gould, Clifford Pickover, Gerald Durrell, David Attenborough, Stuart Kauffman, Brian Goodwin and Lynn Margulis.