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.
'Perturb-seq', pionero
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.
Profundizando en los datos
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”.
Aplicación más relevante
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.
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