Functional Ca2+ Channels between Channel Clusters are Necessary for the Propagation of IP3R-Mediated Ca2+ Waves

The specificity and universality of intracellular Ca2+ signals rely on the variety of spatio-temporal patterns that the Ca2+ concentration can display. Ca2+ release into the cytosol through inositol 1,4,5-trisphosphate receptors (IP 3 Rs) is key for this variety. The opening probability of IP3Rs depends on the cytosolic Ca2+ concentration. All of the dynamics are then well described by an excitable system in which the signal propagation depends on the ability of the Ca2+ released through one IP3R to induce the opening of other IP3Rs. In most cell types, IP3Rs are organized in clusters, i.e., the cytosol is a "patchy" excitable system in which the signals can remain localized (i.e., involving the release through one or more IP3Rs in a cluster), or become global depending on the efficiency of the Ca2+ -mediated coupling between clusters. The spatial range over which the signals propagate determines the responses that the cell eventually produces. This points to the importance of understanding the mechanisms that make the propagation possible. Our previous qualitative comparison between experiments and numerical simulations seemed to indicate that Ca2+ release not only occurs within the close vicinity of the clearly identifiable release sites (IP3R clusters) but that there are also functional IP3Rs in between them. In this paper, we present a quantitative comparison between experiments and models that corroborate this preliminary conclusion. This result has implications on how the Ca2+-mediated coupling between clusters works and how it can eventually be disrupted by the different Ca2+ trapping mechanisms.Fil: Piegari, Estefanía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Ponce Dawson, Silvina Martha. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentin

Quantification of fluctuations from fluorescence correlation spectroscopy experiments in reaction-diffusion systems

Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) is commonly used to estimate diffusion and reaction rates. In FCS the fluorescence coming from a small volume is recorded and the autocorrelation function (ACF) of the fluorescence fluctuations is computed. Scaling out the fluctuations due to the emission process, this ACF can be related to the ACF of the fluctuations in the number of observed fluorescent molecules. In this paper the ACF of the molecule number fluctuations is studied theoretically, with no approximations, for a reaction-diffusion system in which the fluorescence changes with binding and unbinding. Theoretical ACFs are usually derived assuming that fluctuations in the number of molecules of one species are instantaneously uncorrelated to those of the others and obey Poisson statistics. Under these assumptions, the ACF derived in this paper is characterized only by the diffusive timescale of the fluorescent species and its total weight is the inverse of the mean number of observed fluorescent molecules. The theory is then scrutinized in view of previous experimental results which, for a similar system, gave a different total weight and correct estimates of other diffusive timescales. The total weight mismatch is corrected by assuming that the variance of the number of fluorescent molecules depends on the variance of the particle numbers of the other species, as in the variance decomposition formula. Including the finite acquisition time in its computation, it is shown that the ACF depends on various timescales of the system and that its total weight coincides with the one obtained with the variance decomposition formula. This calculation implies that diffusion coefficients of nonobservable species can be estimated with FCS experiments performed in reaction-diffusion systems. Ways to proceed in future experiments are also discussed.Fil: Villarruel, Cecilia Liliana. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Ponce Dawson, Silvina Martha. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias; Argentin

A model of the IP3 receptor with a luminal calcium binding site: Stochastic simulations and analysis

We have constructed a stochastic model of the inositol 1,4,5-trisphosphate receptor-Ca2+ channel that is based on quantitative measurements of the channel's properties. It displays the observed dependence of the open probability of the channel with cytosolic [Ca2+] and [IP3] and gives values for the dwell times that agree with the observations. The model includes an explicit dependence of channel gating with luminal calcium. This not only explains several observations reported in the literature, but also provides a possible explanation of why the open probabilities and shapes of the bell-shaped curves reported in [Nature 351 (1991) 751] and in [Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 269 (1998) 7238] are so different. © 2003 Elsevier Ltd. All rights reserved.Fil: Fraiman Borrazás, Daniel Edmundo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Ponce Dawson, Silvina Martha. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentin

Using two dyes to observe the competition of Ca2+ trapping mechanisms and their effect on intracellular Ca2+ signals

The specificity and universality of intracellular Ca2+ signals rely on the variety of spatio-temporal patterns that the Ca2+ concentration can display. Ca2+ liberation through inositol 1,4,5-trisphosphate receptors (IP3Rs) is key for this variety. In this paper, we study how the competition between buffers of different kinetics affects Ca2+ signals that involve Ca2+ release through IP3Rs. The study also provides insight into the underlying spatial distribution of the channels that participate in the signals. Previous works on the effects of Ca2+ buffers have drawn conclusions 'indirectly' by observing the Ca2+-bound dye distributions in the presence of varying concentrations of exogenous buffers and using simulations to interpret the results. In this paper, we make visible the invisible by observing the signals simultaneously with two dyes, Rhod-2 and Fluo-4, each of which plays the role of a slow or fast Ca2+ buffer, respectively. Our observations obtained for different concentrations of Fluo-4 highlight the dual role that fast buffers exert on the dynamics, either reducing the intracluster channel coupling or preventing channel inhibition and allowing the occurrence of relatively long cycles of Ca2+ release. Our experiments also show that signals with relatively high Ca2+ release rates remain localized in the presence of large Rhod-2 concentrations, while the mean speed of the elicited waves increases. We interpret this as a consequence of the more effective uncoupling between IP3R clusters as the slow dye concentration increases. Combining the analysis of the experiments with numerical simulations, we also conclude that Ca2+ release not only occurs within the close vicinity of the centers of the clearly identifiable release sites (IP3R clusters) but there are also functional IP3Rs in between them.Fil: Piegari, Estefanía. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Lopez, Lucía Fernanda. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Ponce Dawson, Silvina Martha. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentin

Sexual pheromone modulates the frequency of cytosolic Ca2+ bursts in Saccharomyces cerevisiae

Transient and highly regulated elevations of cytosolic Ca2+ control a variety of cellular processes. Bulk measurements using radioactive Ca2+ and the luminescent sensor aequorin have shown that in response to pheromone, budding yeast cells experience a rise of cytosolic Ca2+ that is mediated by two import systems composed by the Mid1-Cch1-Ecm7 protein complex, and the Fig 1 protein. Although this response has been largely studied, there is no report on Ca2+ dynamics at the single cell level. Here, using protein calcium indicators we show that both vegetative and pheromone-treated yeast cells exhibit discrete and asynchronous Ca2+ bursts. Most bursts reach maximal amplitude in 1-10 secs, span between 7 and 30 secs and decay fitting a single exponential model. In vegetative cells bursts are scarce but preferentially occur when cells are transitioning G1 and S phase. Upon pheromone presence Ca2+ burst occurrence increases dramatically, persisting during cell growth polarization. Pheromone concentration modulates burst frequency in a mechanism that depends on Mid1, Fig 1 and a third, still unidentified, import system. We also show that the calcineurin-responsive transcription factor Crz1 experiences nuclear localization bursts during the pheromone response.Fil: Carbo, Natalia. Instituto Pasteur de Montevideo; UruguayFil: Tarkowski, Nahuel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Biotecnológicas. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Investigaciones Biotecnológicas; ArgentinaFil: Perez Ipiña, Emiliano. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Ponce Dawson, Silvina Martha. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; ArgentinaFil: Aguilar, Pablo Sebastián. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentin

High rates of calcium-free diffusion in the cytosol of living cells

Calcium (Ca2+) is a universal second messenger that participates in the regulation of innumerous physiological processes. The way in which local elevations of the cytosolic Ca2+ concentration spread in space and time is key for the versatility of the signals. Ca2+ diffusion in the cytosol is hindered by its interaction with proteins that act as buffers. Depending on the concentrations and the kinetics of the interactions, there is a large range of values at which Ca2+ diffusion can proceed. Having reliable estimates of this range, particularly of its highest end, which corresponds to the ions free diffusion, is key to understand how the signals propagate. In this work, we present the first experimental results with which the Ca2+-free diffusion coefficient is directly quantified in the cytosol of living cells. By means of fluorescence correlation spectroscopy experiments performed in Xenopus laevis oocytes and in cells of Saccharomyces cerevisiae, we show that the ions can freely diffuse in the cytosol at a higher rate than previously thought.Fil: Villarruel, Cecilia Liliana. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentina. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Investigaciones Biotecnológicas. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Investigaciones Biotecnológicas; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Aguilar, Pablo Sebastián. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias; Argentina. Universidad Nacional de San Martín. Instituto de Investigaciones Biotecnológicas. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Instituto de Investigaciones Biotecnológicas; ArgentinaFil: Ponce Dawson, Silvina Martha. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentin

Messages Do Diffuse Faster Than Messengers: Reconciling disparate estimates of the morphogen Bicoid diffusion coefficient

The gradient of Bicoid (Bcd) is key for the establishment of the anterior-posterior axis in Drosophila embryos. The gradient properties are compatible with the SDD model in which Bcd is synthesized at the anterior pole and then diffuses into the embryo and is degraded with a characteristic time. Within this model, the Bcd diffusion coefficient is critical to set the timescale of gradient formation. This coefficient has been measured using two optical techniques, Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP) and Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS), obtaining estimates in which the FCS value is an order of magnitude larger than the FRAP one. This discrepancy raises the following questions: which estimate is ?correct?; what is the reason for the disparity; and can the SDD model explain Bcd gradient formation within the experimentally observed times. In this paper, we use a simple biophysical model in which Bcd diffuses and interacts with binding sites to show that both the FRAP and the FCS estimates may be correct and compatible with the observed timescale of gradient formation. The discrepancy arises from the fact that FCS and FRAP report on different effective (concentration dependent) diffusion coefficients, one of which describes the spreading rate of the individual Bcd molecules (the messengers) and the other one that of their concentration (the message). The latter is the one that is more relevant for the gradient establishment and is compatible with its formation within the experimentally observed times.Fil: Sigaut, Lorena. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Pearson, John E.. Los Alamos National Laboratory;Fil: Colman Lerner, Alejandro Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias; ArgentinaFil: Ponce Dawson, Silvina Martha. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentin

Talleres de habilidades profesionales para jóvenes en ciencia de América Latina

una de las iniciativas promovidas en los Congresos Internacionales de Mujeres en la Física, organizados por la unión Internacional de Física Pura y Aplicada, fue brindar apoyo a las mujeres que se desenvuelven en esta disciplina a través de talleres de habilidades profesionales. Estos talleres se implementaron en algunos países a nivel nacional y también durante la realización de los icwip. Gracias al trabajo conjunto de un grupo de científicas latinoamericanas, también ha sido posible organizarlos en la región. En este trabajo se describen las características que han tenido los talleres organizados hasta el momento en tres países latinoamericanos, la realimentación dada por los y las jóvenes que participaron de los mismos y las lecciones aprendidas de cada experiencia.Fil: Avila, Alba. Universidad de Los Andes; ColombiaFil: Lilia Meza Montes. Benemérita Universidad Autónoma de Puebla; MéxicoFil: Ponce Dawson, Silvina Martha. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentin

El Grupo de Trabajo sobre Mujeres en Física de la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada y su Impacto en Latinoamérica

La Unión Internacional de Física Pura y Aplicada (IUPAP por sus siglas en inglés) creó en 1999 el Grupo de Trabajo sobre Mujeres en Física y le otorgó la misión de relevar e informar la situación de las mujeres físicas y la de sugerir medidas para mejorar dicha situación. Una de las primeras tareas del grupo fue la conformación de grupos análogos en cada país miembro de la IUPAP encargados de abordar la problemática en su ámbito local. El trabajo y colaboración en red de estos grupos locales con la coordinación del Grupo de Trabajo de la IUPAP permitió avanzar notablemente tanto en el relevamiento como en el diseño e implementación de políticas destinadas a disminuir la brecha de género en la disciplina. El Grupo de Trabajo tuvo un gran impacto en Latinoamérica donde llevó a la conformación de redes y a la organización de diversos eventos de carácter regional. Presentamos acá una breve descripción de la historia y tareas del Grupo de Trabajo sobre Mujeres en Física de la IUPAP en general. Describimos luego algunas de las redes y actividades que tuvieron lugar en Latinoamérica derivadas de la existencia del grupo de trabajo creado por la IUPAP.Fil: Avila Bernal, Alba. Universidad de los Andes; ColombiaFil: Barbosa, Marcia C.. Universidade Federal do Rio Grande do Sul; BrasilFil: Ceron Loayza, Maria Luisa. Universidad Nacional Mayor de San Marcos; PerúFil: Meza Montes, Lilia. Benemérita Universidad Autónoma de Puebla; MéxicoFil: Ponce Dawson, Silvina Martha. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentin

Iniciativas para mejorar el clima institucional y el ambiente de trabajo en universidades e instituciones científicas de Argentina incorporando una mirada de género

En las últimas décadas, Argentina ha avanzado significativamente encuestiones de género mediante la sanción de leyes y la incorporaciónde regulaciones internacionales a su marco normativo. La proporciónde mujeres que estudian y finalizan carreras universitarias ha crecidonotablemente al punto de que, en las mayores universidades del país, elnúmero total de estudiantes y de egresadas mujeres supera al de hombres.Algo análogo ha sucedido en distintos organismos vinculados a lainvestigación científica como el Consejo nacional de InvestigacionesCientíficas y Técnicas (Conicet). A pesar de estos avances, la violenciade género sigue siendo prevalente en la sociedad, lo que se refleja enla alta tasa de crímenes de género que aún ocurren contra mujeres. Porotro lado, si bien el número de mujeres universitarias y científicas haaumentado, hay gran diversidad dependiendo de las carreras, e inclusoen aquellas donde las mujeres son mayoría, los grupos de investigaciónsuelen ser liderados por hombres. En este artículo describimos algunosdatos de la situación actual y algunas de las iniciativas que se han implementadoen organismos e instituciones vinculadas al ámbito científicopara mejorar el clima de trabajo y disminuir la brecha de género.Fil: Dickenstein, Alicia Marcela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Investigaciones Matemáticas "Luis A. Santaló". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Matemáticas "Luis A. Santaló"; ArgentinaFil: Franchi, Ana Maria. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Centro de Estudios Farmacológicos y Botánicos. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Medicina. Centro de Estudios Farmacológicos y Botánicos; ArgentinaFil: Gervasoni, Juana Luisa. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Mandrini, Cristina Hemilse. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Astronomía y Física del Espacio(i); ArgentinaFil: Ponce Dawson, Silvina Martha. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Suarez, Alejandra Graciela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Química Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Química Rosario; Argentin