MAPA FUNCIONAL DE GENES QUE SE EXPRESAN EN CÉLULAS HUMANAS

El mapa se ha obtenido con un método basado en el sistema de edición del genoma CRISPR/Cas9 para hacer cambios genéticos en las células.

El método ‘Pertub-seq’ permite introducir cambios, como en esta célula de cerebro murino. Foto: LABORATORIO P. ARLOTTA (HARVARD)

Investigadores del Instituto Whitehead de Investigación Biomédica del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) publican hoy en Cell el primer mapa funcional completo de genes que se expresan en células humanas. Los datos de este proyecto, que relaciona cada gen con su labor en la célula, están disponibles en la página web del laboratorio Weissman para que otros científicos los utilicen. Según sus autores, son la culminación de años de colaboración con el método Perturb-seq (también conocido como CRISP-seq) de secuenciación de una sola célula.

Jonathan Weissman, primer firmante del trabajo, destaca el hecho de que los datos sean accesibles a toda la comunidad científica. «Es un gran recurso en el sentido de que el genoma humano es un gran recurso: puedes acceder e investigar basándote en descubrimientos. En lugar de definir con anticipación qué biología vas a observar, dispones de este mapa de las relaciones genotipo-fenotipo y puedes acceder y revisar la base de datos sin tener que hacer ningún experimento”.

Este abordaje permitió a los investigadores profundizar en diversas cuestiones biológicas: lo usaron para explorar los efectos celulares de genes con funciones desconocidas, para investigar la respuesta de las mitocondrias al estrés y para detectar genes que causan la pérdida o ganancia de cromosomas, un fenotipo que ha resultado difícil de estudiar en el pasado. «Creo que este conjunto de datos permitirá todo tipo de análisis que aún no hemos pensado por parte de personas que provienen de otros campos de la biología y que ahora tienen disponible», ha añadido Tom Norman, ex postdoctorado del laboratorio Weissman y coautor principal del artículo.

El proyecto se basa en Perturb-seq, que permite seguir el impacto de activar o desactivar genes con una profundidad sin precedentes. Este método de secuenciación fue publicado por primera vez en 2016 por un grupo de investigadores que incluye a Weissman y al profesor del MIT Aviv Regev, pero entonces solo podía usarse en pequeños conjuntos de genes y a un gran coste económico. El siguiente paso fue crear una nueva versión de Perturb-seq que pudiera ampliarse. Los resultados se publicaron en una prueba de concepto en Nature Biotechnology en 2020.

El método Perturb-seq usa la edición del genoma CRISPR/Cas9 para introducir cambios genéticos en las células. Además, usa la secuenciación de ARN de una sola célula para capturar información sobre los ARN que se expresan como resultado de un cambio genético determinado. Los ARN controlan todos los aspectos del comportamiento de las células, por lo que este método puede ayudar a decodificar los muchos efectos celulares de los cambios genéticos.

En el estudio recién publicado, los investigadores ampliaron el método a todo el genoma: utilizaron líneas celulares humanas de cáncer de sangre y células no cancerosas derivadas de la retina, realizando el análisis con Perturb-seq en más de 2,5 millones de células y usando los datos para construir un mapa completo que relaciona genotipos con fenotipos.

Al completar el análisis, los investigadores decidieron usar el nuevo conjunto de datos y examinar algunas preguntas biológicas. “La ventaja de Perturb-seq es que te permite obtener un gran conjunto de datos sin sesgos”, ha destacado Tom Norman. “El primer uso fue investigar los genes con funciones desconocidas. Debido a que el análisis también lee los fenotipos de muchos genes conocidos, los investigadores podrían usar los datos para comparar genes desconocidos con los conocidos y buscar resultados transcripcionales similares, lo que podría sugerir que los productos genéticos trabajaron juntos como parte de un complejo más grande.

En el análisis, destacó la mutación del gen C7orf26: los investigadores notaron que los genes cuya eliminación conducía a un fenotipo similar formaban parte de un complejo de proteínas llamado Integrator, que desempeñaba un papel en la creación de pequeños ARN nucleares. El complejo Integrator está formado por muchas subunidades más pequeñas -estudios previos habían sugerido 14 proteínas individuales- y los investigadores pudieron confirmar que C7orf26 constituía un decimoquinto componente del complejo. También descubrieron que las 15 subunidades trabajaban juntas en módulos más pequeños para realizar funciones específicas dentro del complejo Integrator.

Otra ventaja de Perturb-seq es que, debido a que el ensayo se enfoca en células individuales, los investigadores podrían usar los datos para observar fenotipos más complejos que se enturbian cuando se estudian junto con datos de otras células. «A menudo tomamos todas las células en las que se silencia un determinado gen y hacemos una media para ver cómo cambiaron», ha explicado Weissman. “Pero a veces, cuando silencias un gen, diferentes células que están perdiendo ese mismo gen se comportan de manera diferente. Y ese comportamiento puede pasar desapercibido por el estudio conjunto de células”.

Los investigadores encontraron que un subconjunto de genes cuya eliminación condujo a diferentes resultados de una célula a otra era responsable de la segregación cromosómica. Su eliminación estaba causando que las células perdieran un cromosoma o añadieran uno extra (aneuploidia). «No se podía predecir cuál era la respuesta transcripcional a la pérdida de este gen, porque dependía del efecto secundario de qué cromosoma se ganaba o se perdía», ha detallado Weissman. “Nos dimos cuenta de que podíamos cambiarlo y crear este fenotipo compuesto en busca de firmas de cromosomas que se ganaban y perdían. De esta forma, hemos realizado el primer análisis de todo el genoma de los factores necesarios para la correcta segregación del ADN”, ha destacado.

Para Norman, el estudio de la aneuploidía es la aplicación más interesante de estos datos hasta el momento. El motivo es que permite capturar un fenotipo “que solo puedes obtener usando una lectura de una sola célula”.

Los investigadores también utilizaron su conjunto de datos para estudiar cómo respondían las mitocondrias al estrés: cuando alteraron diferentes genes relacionados con las mitocondrias, el genoma nuclear respondió de manera similar a muchos cambios genéticos diferentes. Sin embargo, las respuestas del genoma mitocondrial fueron mucho más variables.

“Todavía hay una pregunta pendiente sobre por qué las mitocondrias todavía tienen su propio ADN”, ha apuntado Joseph Replogle, investigador en el laboratorio Weissman y primer co-autor del artículo. “Una conclusión general de nuestro trabajo es que uno de los beneficios de tener un genoma mitocondrial separado podría ser tener una regulación genética localizada o muy específica en respuesta a diferentes factores estresantes”, ha resumido.

En el futuro, los investigadores esperan usar Perturb-seq en diferentes tipos de células además de la línea de células cancerosas en la que comenzaron su investigación. También esperan continuar explorando su mapa de funciones genéticas y desean que otros hagan lo mismo. “Esta es realmente la culminación de muchos años de trabajo de los autores y otros colaboradores y estoy muy complacido de ver que continúa teniendo éxito y expandiéndose”,.

Referencias

Instituto Whitehead de Investigación Biomédica del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) en Cell el primer mapa funcional completo de genes 

Javier Granda Revilla. Madrid

Vie, 10/06/2022 – 09:29

EPIGENÉTICA

Cancer y gen metilado

La epigenética es un campo de la ciencia, todavía incipiente, que tendrá implicaciones muy importantes sobre cómo abordamos nuestra salud y la de las generaciones futuras.

La palabra epigenética significa literalmente «por encima de los genes», y eso resume perfectamente el epigenoma.

Todos tenemos nuestro ADN único, siempre y cuando no se tenga un gemelo idéntico. Y casi todas las células de nuestro cuerpo contienen todo nuestro ADN y todos los genes que nos hacen ser quienes somos. Esto se conoce como el genoma. Pero, no todas las células son iguales, por ejemplo, nuestras células cerebrales hacen cosas diferentes a las del corazón, que a su vez se comportan de manera diferente a las células de la piel.

Nuestras células tienen todas la misma información, en forma de ADN, ¿pero hacen cosas diferentes?

Aquí es donde entra en juego la epigenética. Básicamente es una capa de instrucción por encima del ADN al que le dice qué activar, cómo actuar, etc.

Esto es similar a una orquesta en la que nuestro ADN serían los músicos y el epigenoma sería el director, que les dice a las células qué deben hacer y cuándo hacerlo. La orquesta de cada persona es diferente. Por eso, aunque el epigenoma no cambia nuestro ADN, si que es el responsable de decidir qué genes se expresarán y cuales no.

Resumiendo, cada célula con todo su ADN espera instrucciones externas, las cuales vienen en forma de un grupo METILO, un compuesto hecho de carbono e hidrógeno. Estos grupos metilo se unen a los genes, haciéndoles saber cuándo expresarse y cuándo permanecer inactivos, y se unen de manera diferente dependiendo de en qué parte del cuerpo se encuentra el ADN. Además hay otras moléculas que son las HISTONAS que también juegan un papel muy importante en cómo se expresan los genes, pues las histonas son las proteínas alrededor de las cuales se enrolla el ADN. La forma en que este el ADN empaquetado alrededor de la histona juega un papel importante en la fuerza con que se expresa un gen.

En resumen, los grupos metilo le dicen a la célula qué es, por ejemplo «eres una célula de la piel, y esto es loque tienes que hacer», y las histonas deciden como va a comportarse esa célula de la piel . Cada célula tiene esta combinación de metil e histona, que le indica qué hacer y en que medida.

Sin el epigenoma dando instruccionesal genoma de las células, nuestro cuerpo no sabría qué hacer.

Nuestro genoma es el mismo desde que nacemos hasta que morimos, nuestro epigenoma va cambiando a lo largo de nuestra vida, decidiendo qué genes se activan o desactivan.

En ocasiones, estos cambios suceden cuando se producen cambios físicos importantes en nuestro cuerpo, como puede ser la pubertad o durante el embarazo. Pero, como la ciencia está comenzando a descubrir, existen otros factores externos que también pueden provocar cambios epigenéticos. Cosas como cuánta actividad física realizamos, qué y cuánto comemos, nuestro nivel de estrés, fumar o beber mucho entre otras cosas, pueden provocar cambios en nuestro epigenoma y afectar la forma en que los grupos metilo se unen a las células.

Estos cambios pueden causar errores, y conducen a enfermedades y otros trastornos.

Debido a que el epigenoma cambia constantemente, sería lógico pensar, que cuando nacemos cada uno de nosotros comenzaríamos con una digamos una pizarra limpia, en blanco, es decir, que nuestros padres no nos pasarían sus epigenomas. Y si bien eso es lo que debería suceder, a veces estos cambios epigenéticos se atascan en los genes y se transmiten a los hijos.

Un ejemplo de esto es el Síndrome de Invierno del Hambre Holandés. Los bebés expuestos a la hambruna prenatal durante la Segunda Guerra Mundial en los Países Bajos tenían un mayor riesgo de enfermedad metabólica más adelante en la vida y tenían diferente metilación del ADN de un gen en particular en comparación con sus hermanos del mismo sexo que no estaban expuestos a la hambruna.

“Estos cambios persistieron seis décadas después.“ Metilacion en el dolor

”Otro estudio encontró que, si bien los gemelos idénticos son en gran medida indiferenciables entre sí cuando nacen, a medida que envejecen, existen grandes diferencias en sus grupos metilo e histonas, lo que afecta la forma en que sus genes se expresan y explican las diferencias en su salud. El ADN dañado o debilitado que se replica puede inevitablemente crear estados de expresión epigenética alternativos que pueden afectar a varias generaciones. Además, la alteración de la replicación del ADN durante el desarrollo embrionario o prenatal tiene consecuencias epigenéticas para un gen, o el conjunto completo de ADN del organismo.

Si bien la epigenética está todavía en pañales, hay muchas cosas que hacen que parezcan apasionantes.

En primer lugar podría cambiar la forma en que tratamos las enfermedades pues si el epigenoma controla cómo se comportan los genes, un epigenoma erróneo puede comportarse como una mutación genética. Esto nos podría conducir a tener un mayor riesgo de enfermedades autoinmunes o el cáncer, incluso aunque los genes sean perfectamente normales. A medida que se sepan más cosas sobre las causas de los errores epigenéticos, sería posible desarrollar medicamentos que modifiquen los grupos metilo o las histonas que estén causando esos errores, pudiendo desarrollarse una cura para esas enfermedades causadas por epigenética.

En segundo lugar podría cambiar la forma en que tratamos las adicciones. Pues como es bien sabido algunas personas son más vulnerables a las adicciones que otras. Pero no hay un gen de la adicción, pues es una combinación de factores heredados y ambientales lo que conducen a una adicción.

Los mecanismos epigenéticos juegan un papel muy importante en lo que se refiere a las adicciones, pues influyen en cómo se expresan los genes para desarrollar una adicción y también cómo esa predisposición a la adicción se transmite a la descendencia. Una mejor comprensión de cómo el epigenoma afecta la adicción podría significar cambiar la forma en que se trata para evitar que la descendencia tenga un mayor riesgo de padecerla.

En tercer lugar podría cambiar la forma en que abordamos los traumas.

Una de las teorías sobre la epigenética trata de explicar cómo un evento traumático, como podría ser sobrevivir al Holocausto, podrían cambiar el epigenoma de una persona y el de su descendencia.

Un pequeño estudio sugiere que los hijos de los supervivientes del Holocausto heredaron una respuesta específica al estrés.

Otro estudio mostró que los hijos de mujeres embarazadas durante los ataques de septiembre en las torres de New York tenían niveles más bajos de cortisol, lo que podría hacerlos más vulnerables al trastorno de estrés postraumático. Estos estudios al ser muy pequeños tienen sus detractores, pero si bien pueden no ser concluyentes, no es difícil pensar que eventos traumáticos mayores podrían encontrar una manera de alterar el epigenoma de alguien lo suficiente como para transmitirlo a su descendencia.

La epigenética es por ahora un campo de investigación muy joven y muchos de los estudios sobre el tema son muy muy pequeños, por lo que es difícil afirmar que sean concluyentes. Además nadie está seguro en que medida influye lo que hacemos en el epigenoma. Si bien tener unos buenos hábitos, como llevar una dieta saludable, hacer ejercicio regularmente no consumir alcohol se sabe que influye positivamente en tu salud, ¿Pueden estos buenos hábitos revertir cualquier daño anterior que ya hayamos causado al epigenoma?

Pues esto no está claro en humanos. La mayor parte de los trabajos llevados a cabo en epigenética hasta ahora han sido hechos en animales, y aún queda por ver cómo se comporta en humanos. Múltiples cosas influyen en la epigenética como son, el entorno, los medicamentos, la dieta, la edad, a medida que se envejece se producen mas daño en el ADN, pero hay que tener en cuenta que todos los factores epigenéticos funciona de manera conjunta y también que no hay nada que podamos hacer por el momento para evitar morir cuando toque. Lo que si es cierto es que las decisiones que tomemos en cuanto a alimentación o entorno pueden ayudar a retrasar o acelerar el envejecimiento. Un alto nivel de emociones afecta a cómo se expresan los genes.

De igual forme la mala nutrición también modifica la forma en que los genes van a expresarse.

La remisión espontánea de ciertas enfermedades , donde alguien que tiene una enfermedad, de repente sana posiblemente la epigenetica tiene aquí también una acción apasionante.

Este sorprendente y grandioso descubrimiento, le queda mucho por ver.

Pero si esta clara que las lesiones del genoma pueden ser evitables y reparables.

Queda un capitulo por entender, el de las enfermedades psiquiátricas, que posiblemente son producidas por daños genómicos en cadena.

Pero seguro que también los encontraremos.

Referencias

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Paoloni-Giacobino, Ariane (2014).

EL MILAGRO DE LA CREACIÓN

Esto que aquí veis es una semilla de Sandia qué plante hace unos seis meses.

Si, Plante como cien semillas cuidadosamente y he necesitado, eso, seis meses para que brote esta preciosa planta.

Lo importante no es la planta, sino que de algo tan pequeñito y sutil , como una semilla ha brotado, eso si cuando le ha parecido oportuno y ha podido, una plantita, preciosa y que dará si Dios quiere una sandia hermosa y sabrosa.

¿Como es posible? que de este pequeña cosita de apariencia inanimada, pueda brotar vida con toda sus característica.

Nace, crece se reproduce y eso si muere.

Es un milagro y un milagro a mi alcance.

Es la vida que brota pase lo que pase y después se comporta como los seres vivientes.

Seguro que el estudio del genoma de la simiente y su consecuente conversión en ser vivo, lo pueda explicar.

Me ha costado seis meses y plantar cientos de semillas, para que tras seis meses mas o menos brote, al principio de una manera sutil, insegura, un poquito de verde sobre la semillita y PLUN, la vida y mi alegría de verla varias veces al dia.

Cuando la vi germinar mi cabeza se lleno de ideas.

Es la vida, esto es la vida.

Pero a nivel humano, las semillitas son aun mas pequeñas y también están llenas de vida y de promesas.

Y desde esta pequeña semillita extrapolándola a un ser humano como yo por ejemplo, todas las posibilidades de alegrías y también de dolor.

Esto se repite y como dice mi amigo el poeta Angel Garcia Lopez.

“porque crecer es solo el argumento que de la flor tiene una simiente”

Los poetas tienen una sensibilidad especial para describir los acontecimientos.

EL MILAGRO DE LA CREACIÓN

Esto que aquí veis es una semilla de Sandia qué plante hace unos seis meses.

Si, Plante como cien semillas cuidadosamente y he necesitado, eso, seis meses para que brote esta preciosa planta.

Lo importante no es la planta, sino que de algo tan pequeñito y sutil , como una semilla ha brotado, eso si cuando le ha parecido oportuno y ha podido, una plantita, preciosa y que dará si Dios quiere una sandia hermosa y sabrosa.

¿Como es posible? que de este pequeña cosita de apariencia inanimada, pueda brotar vida con toda sus característica.

Nace, crece se reproduce y eso si muere.

Es un milagro y un milagro a mi alcance.

Es la vida que brota pase lo que pase y después se comporta como los seres vivientes.

Seguro que el estudio del genoma de la simiente y su consecuente conversión en ser vivo, lo pueda explicar.

Me ha costado seis meses y plantar cientos de semillas, para que tras seis meses mas o menos brote, al principio de una manera sutil, insegura, un poquito de verde sobre la semillita y PLUN, la vida y mi alegría de verla varias veces al dia.

Cuando la vi germinar mi cabeza se lleno de ideas.

Es la vida, esto es la vida.

Pero a nivel humano, las semillitas son aun mas pequeñas y también están llenas de vida y de promesas.

Y desde esta pequeña semillita extrapolándola a un ser humano como yo por ejemplo, todas las posibilidades de alegrías y también de dolor.

Esto se repite y como dice mi amigo el poeta Angel Garcia Lopez.

“porque crecer es solo el argumento que de la flor tiene una simiente”

Los poetas tienen una sensibilidad especial para describir los acontecimientos.