El descubrimiento de elementos reguladores en los vertebrados a través de comparación de genomas

PorPilar Gonzalez GomezAlberto Lietor Santos

¿Qué son los elementos reguladores?

• Son mecanismos que regulan, ya sea por activación o represión, la expresión de los genes– Factores de trascripción: sustancias que participan

en la primera fase de la trascripción pero no forman parte de la estructura del ARN mensajero.

– Sitios de unión (binding sites): zonas de la secuencia de ADN donde se efectúa la regulación por la unión con el factor de trascripción.

Importancia del descubrimiento de elementos reguladores

• El primer paso para comprender la regulación genética es la identificación de elementos reguladores en el genoma

• Si sabemos en qué parte del genoma se regula la expresión de ciertos genes podremos actuar sobre ellos

• Grandes aplicaciones en la medicina

Técnica de phylogenetic footprinting para el descubrimiento

de elementos reguladores

• Se basa en el hecho de que los elementos reguladores se encuentran bajo unas condiciones selectivas de presión, lo que causa que éstos evolucionen más lentamente que las secuencias no funcionales que los rodean

• Comparando regiones reguladoras ortólogas de ciertas especies las técnicas de phylogenetic footprinting predicen las subsecuencias que podrían funcionar como elementos reguladores potenciales.

Técnica de phylogenetic footprinting para el descubrimiento

de elementos reguladores

Problemas al aplicar phylogenetic footprinting a los vertebrados

• Las secuencias anotadas en las bases de datos no están verificadas ni completas

• Las herramientas y parámetros en los phylogenetic footprinting son comunes para predecir motivos en conjuntos de datos no ortólogos que en conjuntos ortólogos.

Métodos para phylogenetic footprinting en vertebrados

• Dos métodos:- El primero nos da una aproximación empírica

para determinar qué herramientas de phylogenetic footprinting y qué parámetros son mejores para producir motivos fiables.

- El segundo es un método estadístico para agrupar los motivos producidos.

Métodos para phylogenetic footprinting en vertebrados

• Aplicaremos estos métodos para:- Comparar el funcionamiento de las

herramientas de phylogenetic footprinting existentes cuando se aplican al descubrimiento de elementos reguladores en vertebrados.

- Generar una lista de motivos conservados en vertebrados, muchos de los cuales son nuevos candidatos a elementos reguladores.

Estudio realizado

• Usaremos un conjunto de especies para realizar este estudio: humano, chimpancé, ratón , rata, gallina y fugu (pez).

• Dichas especies serán estudiadas en tres grupos separados: - los cuatro mamíferos- los mamíferos junto con la gallina - los seis organismos

Estudio realizado

• Primero, identificaremos regiones promotoras ortólogas.

• Después, descubriremos motivos bien conservados en esas regiones.

Identificación de regiones promotoras ortólogas

• Para identificar los genes ortólogos usaremos la base de datos Ensembl.

• Usamos un filtro para listar todos los genes humanos que tienen homologías para cada uno de los mamíferos en estudio.

• A éstos le pasamos un filtro que nos dé sólo los genes cuya región de comienzo de la traducción esté en posiciones ortólogas.

Identificación de regiones promotoras ortólogas

Identificación de regiones promotoras ortólogas

• Problemas:- Es muy difícil encontrar genes ortólogos en

vertebrados debido a que las bases de datos no están completas.

- Genes que son ortólogos no tienen posiciones ortólogas en el comienzo de la traducción. Esto puede ser debido a la pérdida del primer exón en algunas especies, errores en la notación o falta de evidencias experimentales de los sitios de comienzo

Comparación de herramientas de phylogenetic footprinting

• Siguiente paso: encontrar motivos bien conservados en cada uno de los conjuntos.

• Herramientas de alineamiento múltiple: ClustalW, MAVID, MLAGAN , DIALIGN, TDA y FootPrinter.

• No están diseñadas especialmente para descubrir motivos cortos.

• Necesitamos un método automático de extracción de motivos a partir de los alineamientos múltiples. Usamos la medida simple de parsimony.

Comparación de herramientas de phylogenetic footprinting

Comparación de las herramientas de alineamiento en:

5.073 conjuntos de datos del grupo humano/chimpancé/ratón/rata

Comparación de herramientas de phylogenetic footprinting

Comparación de las herramientas de alineamiento en:

945 conjuntos de datos del grupo humano/chimpancé/ratón/rata/pollo

Clasificación de motivos de alta calidad

• Último paso: extraer los motivos, decidir cuáles son buenos para ser variantes del mismo elemento regulador e identificar cuáles son nuevos.

• Los motivos que suceden muchas veces son buenos candidatos como elementos reguladores, ya que están presentes en múltiples genes humanos y perfectamente conservados en otros vertebrados en cada uno de estos genes.

Comparación en TRANSFAC

• Una vez que tenemos los motivos extraídos los vamos a agrupar en clusters atendiendo a su similaridad en las secuencias.

• Estos motivos los vamos a comparar con los datos que contiene TRANSFAC

Tabla de match

Conclusiones

• Problemas en aplicar métodos de phylogenetic footprinting en vertebrados:- Identificación de genes ortólogos. Aumenta la complejidad

cuanto más distanciadas estén las especies.- Identificación de regiones promotoras ortólogas: complicado,

debido a:1. Pérdida del primer exón en algunas especies,2. Errores en la anotación 3. Falta de evidencias experimentales de los sitios de comienzo

- Alineamiento de las regiones promotoras ortólogas. Complicado, especialmente en especies distantes.

• Al identificar estos problemas, se hace evidente la necesidad de conseguir una mejor anotación y mejores herramientas computacionales .