Investigadores de l’Institut de Biologia Integrativa de Sistemes (I2SysBio, CSIC-UV) creen un sistema computacional amb l’objectiu d’analitzar com es coordinen els gens per a crear la varietat cel·lular que constitueix els teixits
L’ésser humà té 24.000 gens, quasi els mateixos que el cuc nematode Caenorhabitis elegans. No obstant això, a diferència dels cucs, els gens humans tenen una gran diversitat de funcions biològiques a partir d’aquest nombre limitat de gens. Per a estudiar aquest procés, un grup d’investigadores de l’Institut de Biologia Integrativa de Sistemes (I2SysBio), centre mixt del Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC) i la Universitat de València (UV), ha desenvolupat un mètode computacional que permet, per primera vegada, desentranyar com la diversitat funcional dels gens s’organitza per a aconseguir formar diferents tipus cel·lulars. El mètode, que utilitza tecnologies capdavanteres de seqüenciació de molècula única i mesuraments a nivell de cèl·lules independents, ha estat publicat en Nature Communications.
El treball ha estat desenvolupat pel grup d’investigació liderat per la professora d’investigació del CSIC a l’I2SysBio Ana Conesa. El seu objectiu era desenvolupar un nou mètode computacional per a estudiar la coordinació en el processament alternatiu de l’ARN missatger a nivell de cèl·lula única. El processament alternatiu (splicing) és un mecanisme de diversificació que permet que, a partir d’un únic gen, puguen produir-se diverses molècules missatgeres diferents, denominades isoformes. Les isoformes d’un mateix gen contenen instruccions per a fabricar proteïnes que són lleugerament diferents, permetent així una gran diversitat de funcions biològiques a partir d’un número molt limitat de gens.
“La complexitat d’isoformes té a veure amb la complexitat dels éssers vius”, explica Ana Conesa. “Organismes complexos com els éssers humans són el que tenen més isoformes diferents. A més, la diversitat d’isoformes contribueix a determinar els tipus cel·lulars que formen els teixits. Els mateixos gens poden expressar unes isoformes en una mena de cèl·lules i altres isoformes en una altra mena de cèl·lules”, revela la investigadora del CSIC.
La tecnologia actual permet estudiar l’expressió de gens en cada cèl·lula amb gran precisió i resolució, però genera un gran volum de dades que requereix d’algorismes complexos per a la seua anàlisi. Aquest estudi de l’I2SysBio se centra en analitzar com les diferents isoformes dels gens es coordinen per a definir els diferents tipus cel·lulars. “El nostre mètode d’anàlisi computacional permet distingir les diferències funcionals entre isoformes del mateix gen, podent veure quins canvis suposen per a l’estructura de la proteïna resultant i quantificar la seua expressió en cada cèl·lula”, destaca Ángeles Arzalluz, investigadora de l’I2SysBio i primera autora de l’estudi.
A més, aquest nou sistema permet associar els canvis en la intensitat d’expressió de les diferents isoformes a propietats biològiques de les cèl·lules, com la identitat d’un determinat tipus cel·lular o la seua funció dins de l’organisme. Així mateix, les investigadores van poder agrupar isoformes amb un mateix patró d’expressió, creant xarxes de regulació i observant les seues propietats funcionals similars.
Conéixer el desenvolupament de processos tumorals
“Hem aplicat aquestes tècniques per a entendre la coordinació d’isoformes en la definició de diferents tipus de cèl·lules neuronals, i hem vist que les neurones tenen isoformes més llargues i de més càrrega funcional que altres tipus cel·lulars, així com mecanismes reguladors per a expressar-se conjuntament”, recorda Arzalluz. “Els nostres resultats indiquen que la identitat de les cèl·lules neuronals no depén només dels gens que s’expressen en elles, sinó també de la combinació d’isoformes”, conclou.
Aquest és el primer mètode que aconsegueix realitzar una agrupació d’isoformes en xarxes de regulació a nivell d’una única cèl·lula i comprendre el seu impacte funcional, destaquen les investigadores. Això és possible gràcies a tècniques estadístiques en el desenvolupament de les quals col·laboren Sonia Tarazona i Pedro Salguero, del Departament d’Estadística i Investigació Operativa Aplicades i Qualitat de la Universitat Politècnica de València (UPV). El mètode ha generat la primera xarxa de coexpressió d’isoformes per a un conjunt de set tipus de cel·lulars neuronals.
“Els estudis de cèl·lula única són molt útils per a l’enteniment de patologies del desenvolupament i processos tumorals, on el conéixer la composició cel·lular dels teixits és fonamental”, assegura Ana Conesa. “No obstant això, els estudis actuals rarament analitzen les diferents isoformes dels gens. La nostra metodologia pot ajudar a estudiar aquests processos patològics a un nivell de resolució molecular no abordat fins ara”, puntualitza.
Referència:
Angeles Arzalluz-Luque, Pedro Salguero, Sonia Tarazona, Ana Conesa. “Acorde: unraveling functionally-interpretable networks of isoform co-usage from single cell data”. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-022-29497-w.
