Los científicos han apreciado durante mucho tiempo la lombriz intestinal Caenorhabditis elegans como modelo para estudiar la biología de los organismos multicelulares. Los gusanos de un milímetro de largo son fáciles de cultivar en el laboratorio y manipular genéticamente, y tienen solo alrededor de 1,000 células, lo que los convierte en un sistema poderoso para explorar las complejidades del desarrollo, el comportamiento y el metabolismo.
Ahora, un equipo del Instituto Lewis-Sigler de Genómica Integrativa de Princeton ha producido nuevos recursos para C. elegans investigación: una visión integral de qué genes están activos en cada uno de los cuatro tejidos principales de los gusanos adultos, así como una herramienta para predecir la actividad genética en 76 tipos de células más específicas. El equipo, dirigido por coautores autores Profesor deLa biología molecular Coleen Murphy y la profesora de informática Olga Troyanskaya, informaron sus resultados en un artículo del 10 de agosto en la revista PLOS Genética .
El trabajo se basa en una colaboración que se remonta a 2009, cuando los dos laboratorios se unieron por primera vez para analizar los patrones de actividad genética C. elegans tejidos. "Olga y yo teníamos interés en la especificidad de los tejidos. La mayor parte de la biología de la que escuchamos se realiza en organismos completos, pero la verdad es que si tienes una enfermedad, generalmente es de un tejido en particular", dijoMurphy, quien dirige el Centro Glenn de Princeton para la Investigación Cuantitativa del Envejecimiento ". Para C. elegans sabemos que, por ejemplo, la señalización de insulina en el cerebro o el intestino del animal en realidad puede afectar la longevidad de todo el animal ".
Los investigadores han analizado previamente la actividad de los más de 20,000 genes del gusano en diferentes condiciones en embriones, larvas o gusanos adultos enteros, pero la separación de los tejidos de animales adultos para tales experimentos ha sido difícil debido a la anatomía del gusano. Rachel Kaletsky, unUn investigador asociado en el laboratorio de Murphy y coautor del trabajo, desarrolló una técnica para aislar tejidos específicos. Kaletsky, Murphy y sus colegas utilizaron el método por primera vez en 2015 para estudiar los genes relacionados con la memoria en las neuronas. Aquí, lo aplicaron arealizar un análisis global de la actividad o expresión génica en los cuatro tejidos principales del gusano adulto: tejido muscular, neuronal, intestinal y epidermis.
"Esto realmente nos permite refinar nuestras hipótesis", dijo Kaletsky. "Ahora podemos hacer preguntas sobre lo que está sucediendo en las neuronas, por ejemplo, bajo una variedad de condiciones que afectan diversas enfermedades o cosas que suceden con la edad, y podemosve y responde directamente esas preguntas "
Después de separar las células de los cuatro tejidos principales de los gusanos, los investigadores aislaron y secuenciaron los ARN mensajeros de las células, las moléculas intermedias que permiten que la información codificada en el ADN de los genes se traduzca en proteínas, que llevan a cabo todas las funciones básicas de una célulay funciones más especializadas. En cualquier célula dada solo se expresa activamente un subconjunto de genes, lo que significa que el ARN mensajero existe solo para el subconjunto de genes que están activos en ese tejido.
El análisis de los datos de ARN reveló distintos patrones de expresión génica en cada tejido. Las células intestinales, por ejemplo, expresaron altos niveles de genes asociados con la digestión, mientras que los genes relacionados con el aprendizaje y la memoria se expresaron altamente en las neuronas. Más de 5,000 genes se expresaronen todos los tipos de tejidos; estos estuvieron involucrados en procesos universales como el metabolismo de la glucosa o las respuestas al estrés.
La comparación de los resultados con los perfiles de expresión génica humana arrojó algunas ideas inesperadas. Por ejemplo, el C. elegans la epidermis no expresó genes similares a los activos en la piel humana, como los investigadores han supuesto durante mucho tiempo. Por el contrario, las células de la epidermis expresaron muchos genes metabólicos comparables a los que están activos en el hígado humano ". Este es el tipo de cosa que podría informarestudios de enfermedades específicas de órganos en humanos, usando gusanos como modelo ", dijo Murphy.
¿Pero qué hay de investigar qué genes se expresan en las células musculares de la cabeza del gusano o en las neuronas sensoriales? ¿O en su sistema excretor? Para obtener una imagen de mayor resolución de la expresión génica en los tipos de células y etapas de la vida, el grupo de Murphy trabajó con Troyanskaya y VictoriaYao, un estudiante de doctorado recién graduado del laboratorio de Troyanskaya y coprimer autor del trabajo.
El equipo aplicó métodos computacionales para analizar datos de más de 4,000 disponibles públicamente C. elegans experimentos de expresión génica, incluidos los datos del presente estudio sobre los cuatro tejidos principales del gusano. Si bien la mayoría de estos experimentos se realizaron con animales enteros, los investigadores idearon un enfoque de aprendizaje automático para descubrir patrones específicos de tejido. El método combinalos conjuntos de datos de alto rendimiento con la mejor información disponible de experimentos a pequeña escala que demuestran que un gen se expresa en un tejido particular.
"No podemos caracterizar completamente cada pequeño tipo de celda de manera manejable muy pronto", explicó Yao. "La idea es que todos esos conjuntos de datos de expresión de gusanos enteros todavía tengan información útil. Es como si todoen una licuadora, pero podemos usar métodos computacionales para tratar de extraer qué genes se expresan potencialmente en qué tejidos ". Los investigadores pueden acceder a la herramienta de predicción de actividad genética en gusano.princeton.edu .
Como estudio de caso, el equipo utilizó la herramienta de predicción para examinar genes controlados por CREB, un gen que sirve como un regulador clave tanto del metabolismo como de la memoria a largo plazo, que el laboratorio de Murphy ha estudiado para determinar su papel en los procesos de envejecimiento.Las actividades de CREB en las neuronas son bien conocidas, esta investigación sugirió que CREB también regula los genes en la epidermis, el intestino y el sistema reproductivo del gusano.
Murphy enfatizó que el documento incluye solo algunos ejemplos de nuevos hallazgos habilitados por los datos de expresión de genes específicos del tejido y la herramienta de predicción del equipo. "Realmente esperamos que las personas en la comunidad de investigación de gusanos usen esto para encontrar cosas que no hemos encontradoincluso pensé en eso todavía ", dijo.
Otros coautores fueron April Williams, quien completó un doctorado en biología cuantitativa y computacional en Princeton en 2015; Alexi Runnels, graduada de doctorado en biología molecular en 2018; Alicja Tadych, ingeniera científica de software en Lewis-Sigler Institute; y Shiyi Zhou, un estudiante graduado en biología molecular.
El trabajo fue apoyado en parte por los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Glenn para la Investigación Médica.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton, Escuela de Ingeniería . Original escrito por Molly Sharlach. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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