Bioinformàtica de ARNs: simulacions d'evolució de viroids i xarxes de molècules de ARN

L'objectiu pràctic principal d'aquest projecte va consistir en la construcció d'un codi informàtic destinat a efectuar simulacions de poblacions de molècules de ARN que es repliquen i evolucionen en el temps. Encara que el projecte es va dirigir cap a la investigació de la interacció entre els viroids i els mecanismes de defensa de la planta, els resultats finals del treball efectuat ens van conduir a conclusions aplicables a l'escala del genoma sencer i no només als viroids o ARNs. En aquest estudi es van analitzar, en l’àmbit de la genètica de poblacions, les conseqüències de la selecció natural endarrerida. Estudis clàssics de la evolució en aquest àmbit han considerat que un individu genera fills en proporció amb la seva superioritat reproductiva (o fitness), un procés en que es poden produir mutacions. L'adquisició de mutacions que produeixen en el individu una fitness molt baixa (mutacions deletèries) impliquen l'impossibilitat de reproducció. En la hipòtesi de selecció endarrerida, els individus que adquireixen mutacions deletèries encara es poden reproduir amb normalitat unes quantes generacions. Durant aquest retard o "compte enrere", els danys transmesos als fills podrien ser reparats mitjançant ulteriors mutacions compensatòries. En l'absència d'aquest tipus de mutacions compensatòries, el fill esdevé estèril i per tant no es podrà reproduir. En aquest treball s’ha estudiat les conseqüències genètiques al nivell poblacional d'aquest retard mitjançant simulacions numèriques i modelitzacions teòriques. Els resultats mostren que la selecció amb retard abaixa el llindar d'error (error threshold), posant en perill la supervivència de la població. De l'altra banda, sorprenentment, aquest retard no deixa cap traça al nivell de la diversitat de les seqüències genòmiques en la població. Aquestes conclusions suggereixen que la selecció endarrerida és difícilment detectada en les dades genètiques i per tant, podria ser un fenomen comú però rarament detectat.

Genomics of wine yeast: functional analysis of new and variable genes

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a l’Institut National de la Recherche Agronomique, França, entre 2007 i 2009. Saccharomyces cerevisiae ha estat el llevat utilitzat durant mil.lenis en l'elaboració de vins. Tot i així, es té poc coneixement sobre les pressions de selecció que han actuat en la modelització del genoma dels llevats vínics. S’ha seqüenciat el genoma d'una soca vínica comercial, EC1118, obtenint 31 supercontigs que cobreixen el 97% del genoma de la soca de referència, S288c. S’ha trobat que el genoma de la soca vínica es diferencia bàsicament en la possessió de 3 regions úniques que contenen 34 gens implicats en funcions claus per al procés fermentatiu. A banda, s’han dut a terme estudis de filogènia i synteny (ordre dels gens) que mostren que una d'aquestes tres regions és pròxima a una espècie relacionada amb el gènere Saccharomyces, mentre que les altres dos regions tenen un origen no-Saccharomyces. S’ha identificat mitjançant PCR i seqüenciació a Zygosaccharomyces bailii, una espècie contaminant de les fermentacions víniques, com a espècie donadora d'una de les dues regions. Les hibridacions naturals entre soques de diferents espècies dins del grup Saccharomyces sensu stricto ja han estat descrites. El treball és el primer que presenta hibridacions entre espècies Saccharomyces i no-Saccharomyces (Z. bailii, en aquest cas). També s’assenyala que les noves regions es troben freqüent i diferencialment presents entre els clades de S. cerevisiae, trobant-se de manera gairebé exclusiva en el grup de les soques víniques, suggerint que es tracta d'una adquisició recent de transferència gènica. En general, les dades demostren que el genoma de les soques víniques pateix una constant remodelació mitjançant l'adquisició de gens exògens. Els resultats suggereixen que aquests processos estan afavorits per la proximitat ecològica i estan implicats en l'adaptació molecular de les soques víniques a les condicions d'elevada concentració en sucres, poc nitrogen i elevades concentracions en etanol.

Desenvolupament d'eines d'alta ressolució per al cribatge (screening) de l'activitat de fàrmacs

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la Satandford University, EEUU, entre 2007 i 2009. Els darrers anys, hi ha hagut un avanç espectacular en la tecnologia aplicada a l’anàlisi del genoma i del proteoma (microarrays, PCR quantitativa real time, electroforesis dos dimensions, espectroscòpia de masses, etc.) permetent la resolució de mostres complexes i la detecció quantitativa de diferents gens i proteïnes en un sol experiment. A més a més, la seva importància radica en la capacitat d’identificar potencials dianes terapèutiques i possibles fàrmacs, així com la seva aplicació en el disseny i desenvolupament de noves eines de diagnòstic. L’aplicabilitat de les tècniques actuals, però, està limitada al nivell al que el teixit pot ser disseccionat. Si bé donen valuosa informació sobre expressió de gens i proteïnes implicades en una malaltia o en resposta a un fàrmac per exemple, en cap cas, s’obté una informació in situ ni es pot obtenir informació espacial o una resolució temporal, així com tampoc s’obté informació de sistemes in vivo. L’objectiu d’aquest projecte és desenvolupar i validar un nou microscopi, d’alta resolució, ultrasensible i de fàcil ús, que permeti tant la detecció de metabòlits, gens o proteïnes a la cèl•lula viva en temps real com l’estudi de la seva funció. Obtenint així una descripció detallada de les interaccions entre proteïnes/gens que es donen dins la cèl•lula. Aquest microscopi serà un instrument sensible, selectiu, ràpid, robust, automatitzat i de cost moderat que realitzarà processos de cribatge d’alt rendiment (High throughput screening) genètics, mèdics, químics i farmacèutics (per aplicacions diagnòstiques i de identificació i selecció de compostos actius) de manera més eficient. Per poder realitzar aquest objectius el microscopi farà ús de les més noves tecnologies: 1)la microscopia òptica i d’imatge, per millorar la visualització espaial i la sensibilitat de l’imatge; 2) la utilització de nous mètodes de detecció incloent els més moderns avanços en nanopartícules; 3) la creació de mètodes informàtics per adquirir, emmagatzemar i processar les imatges obtingudes.

PGC-1α regula la respuesta celular frente a estrés oxidativo en el miocardio tras síndrome coronario agudo

PGC-1α es un factor de transcripción maestro en la regulación mitocondrial de genes de protección frente a estrés oxidativo. Decidimos analizar el papel de la molécula en la regulación celular miocárdica tras infarto agudo. Evaluamos 38 pacientes con diagnóstico de SCACEST sometidos a estrategia de reperfusión. Encontramos que los pacientes con nivel basal de expresión reducido y mayor inducción de PGC-1α tras el evento presentaban infartos más extensos estimados por resonancia cardiaca. Concluimos que PGC-1α participa en la regulación de la respuesta celular frente a isquemia, en base a la activación de enzimas de protección mitocondrial.

Análisis bioinformáticos sobre la tecnología Hadoop

Desde el inicio del proyecto del genoma humano y su éxito en el año 2001 se han secuenciado genomas de multitud de especies. La mejora en las tecnologías de secuenciación ha generado volúmenes de datos con un crecimiento exponencial. El proyecto Análisis bioinformáticos sobre la tecnología Hadoop abarca la computación paralela de datos biológicos como son las secuencias de ADN. El estudio ha sido encauzado por la naturaleza del problema a resolver. El alineamiento de secuencias genéticas con el paradigma MapReduce.

Estudi de la relació estructura-funció de les proteïnes CPT1

En aquest treball s’ha analitzat la relació estructura-funció dels enzims CPT1, o Carnitina palmitoïltransferasa 1, que catalitza la reacció de transesterificació dels àcids grassos de cadena llarga a acil-carnitines, per tal que puguin accedir a la matriu mitocondrial i ser oxidats. Aquest enzim es troba estrictament regulat per malonil-CoA, primer intermediari de la síntesi d’àcids grassos, establint-se així una regulació coordinada entre la formació i la degradació de grasses. S’han estudiat els tres isotips de CPT1 descrits fins al moment: CPT1A, CPT1B i CPT1C. Mitjançant l’expressió heteròloga de mutants de CPT1A de rata i CPT1B de porc en el llevat P. pastoris, s’ha estudiat l’efecte sobre la inhibició per malonil-CoA de petits canvis en la seva estructura, per tal de trobar una relació entre la seva funció enzimàtica i la disposició conformacional de la proteïna. Segons els resultats obtinguts, el residu Glu590 de CPT1A de rata estaria impedint la unió de l’inhibidor, mentre que el residu Met593 estaria afavorint aquesta unió. Els estudis amb l’enzim CPT1B de porc demostraren l’existència d’un determinant positiu per la sensibilitat al malonil-CoA en els primers 18 residus de la proteïna, i definiren la posició Glu17 com la responsable de l’alta afinitat a la carnitina i la baixa sensibilitat a la inhibició per malonil-CoA (8). Es clonà i caracteritzà la regió promotora del gen de CPT1C humana, amb la intenció d’analitzar la funcionalitat de putatius elements de resposta identificats in silico. Cap dels elements estudiats resultà ser funcional in vivo. A més, es demostrà que la manca d’activitat catalítica de la proteïna no és deguda a l’extensió C-terminal que presenta respecte els isotips A i B, tot i presentar un alt percentatge d’identitat de seqüència. S’ha amplificat una isoforma humana de CPT1C (Pubmed Acc. Num. AK299866), corresponent a la regió carboxiterminal de la proteïna, que es pretén utilitzar per obtenir el primer cristall de la part soluble d’una proteïna CPT1.     

Proteostasis of aging and stem cells

Estudi realitzat a partir d’una estada a la the Salk Institute, Estats Units, entre 2010 i 2012. L'estabilitat del genoma és essencial per a la supervivència de les cèl • lules mare, però, l'estabilitat del proteoma pot tenir un paper igualment important en la identitat de cèl • lules mare i la seva funció. La nostra hipòtesi és que les cèl • lules mare tenen la capacitat de proteostasis augmentada en comparació amb els seus homòlegs diferenciats i ens varem preguntar si l'activitat del proteasoma és diferent a les cèl • lules mare embrionàries humanes (hESCs). En particular, els nostres resultats mostren que les poblacions de cèl• lules mare presenten una activitat del proteasoma que es correlaciona amb majors nivells de la subunitat 19S del proteasoma PSMD11/RPN-6 i un corresponent augment del ensamblatge del 26S/30S proteasoma. L'expressió ectòpica de PSMD11 és suficient per augmentar l'activitat del proteasoma. Sorprenentment, varem trobar que la llarga vida del GLP-1 C. elegans mutant té també un augment dramàtic en l'activitat del proteasoma associat a nivells augmentats en l'expressió de RPN-6. El factor de transcripció DAF-16 és essencial per l'augment de la longevitat de GLP-1 i els cucs mutants que trobem DAF-16 necessari per a l'augment d'expressió de RPN-6 i, per tant, per l'activació de l'activitat del proteasoma en GLP-1 mutant animals. Una possibilitat interessant és que els gens que regulen la vida i la resistència a l'estrès en C. elegans poden també regular la funció hESCs de mamífer, cèl • lules que son considerades immortals. Aquests resultats ens van portar a la conclusió de que FOXO4, un factor de transcripció sensible a la insulina/IGF-1, regula l'activitat del proteasoma en hESCs, el que suggereix un paper per FOXO4 en la funció d’aquestes cèl • lules. En efecte, FOXO4 es necessari per a la diferenciació en llinatges neuronals de les hESCs. Els nostres resultats estableixen una nova regulació de laproteostasis en hESCs que uneix la longevitat i la resistència a l'estrès en invertebrats amb la funció i identitat de les hESCs.

Genome Biology and Evolution of the Animal Kingdom

Estudi realitzat a partir d’una estada a la Institut J.W. Jenkinson Laboratory for Evolution and Development of the University of Oxford, Regne Unit, entre 2010 i 2012. He estat membre del laboratori del Professor Peter W.H. Holland com a becari post-doctoral Beatriu de Pinós des de setembre de 2010 al setembre de 2012. El nostre projecte de recerca se centra en l'anàlisi genòmic comparatiu del Regne Animal, tot explorant el contingut dels genomes a través de totes les branques de l'arbre dels animals. Totes les referències a les meves publicacions durant aquest post-doc es poden trobar a http://about.me/jordi_paps. Crec que el nombre i la qualitat dels resultats del meu post-doc, un total de 8 publicacions incloent dos articles a la prestigiosa revista Nature, són prova de l'èxit d'aquest post-doc. Prof Peter W. H. Holland (Departament de Zoologia de la Universitat d'Oxford) i jo som coautors de tres articles de genòmica comparativa, resultats directes d'aquest projecte: 1) comparació de families gèniques entre vertebrats invertebrats (Briefings in Functional Genomics), 2) el genoma de l'ostra (publicat a la revista Nature), i 3) els genomes de 6 platihelmints paràsits (acceptat també a Nature). A més, tenim altres 2 treballs en preparació. Un d'ells analitza l'evolució, expressió i funció dels gens Hox al a la tènia Hymenolepis. El perfil fi d'aquests gens clau del desenvolupament esclareix els canvis d'estil de vida dels organismes. A més, durant aquest últim post-doc he participat en diverses col•laboracions, incloent anàlisi de gens d'envelliment a cucs plans, un estudi sobre la filogènia del grup Gastrotricha, una revisió de l'evolució phylum Platyhelminthes, així com un capítol d'un llibre sobre l'evolució dels animals bilaterals. Finalment, gràcies a la beca Beatriu de Pinós, el Prof. Peter W.H. Holland m'ha convidat a formar part del seu equip com un investigador post-doctoral en el seu projecte ERC Advance actual sobre duplicacions genòmiques.

Estudi de la regulació del procés de formació de la fusta per a l’obtenció de biomassa i biocombustibles: el paper clau de dos factors de transcripció MYB amb funcions antagòniques

Estudi realitzat a partir d’una estada al Laboratoire de Recherche en Sciences Végétales - Université Toulouse III, entre 2010 i 2012. Durant l’estada s’han pogut complir els principals objectius del projecte de recerca sobre la regulació de la formació de les parets secundàries en un arbre d’importància econòmica, l’eucaliptus. S’ha caracteritzat dos factors de transcripció, EgMYB1 i 2, comparant el seu patró d’expressió espaciotemporal a nivell cel•lular i estudiant l’efecte fenotípic de la pèrdua de funció d’aquests gens. A més, s’ha construït una llibreria de xilema d’eucaliptus adaptada a la tècnica dels dos híbrids i s’ha descobert alguns del partners proteics d’EgMYB1 i 2, els quals estic actualment validant per mètodes alternatius. Augmentant els objectius inicials de la sol•licitud, he aprofitat la recent publicació del genoma de l’Eucalyptus grandis per identificar i caracteritzar el patró d’expressió de vàries famílies gèniques.

Nucleotide, cytogenetic and expression impact of the human chromosome 8p23.1 inversion polymorphism

Background: The human chromosome 8p23.1 region contains a 3.8–4.5 Mb segment which can be found in different orientations (defined as genomic inversion) among individuals. The identification of single nucleotide polymorphisms (SNPs) tightly linked to the genomic orientation of a given region should be useful to indirectly evaluate the genotypes of large genomic orientations in the individuals. Results: We have identified 16 SNPs, which are in linkage disequilibrium (LD) with the 8p23.1 inversion as detected by fluorescent in situ hybridization (FISH). The variability of the 8p23.1 orientation in 150 HapMap samples was predicted using this set of SNPs and was verified by FISH in a subset of samples. Four genes (NEIL2, MSRA, CTSB and BLK) were found differentially expressed (p<0.0005) according to the orientation of the 8p23.1 region. Finally, we have found variable levels of mosaicism for the orientation of the 8p23.1 as determined by FISH. Conclusion: By means of dense SNP genotyping of the region, haplotype-based computational analyses and FISH experiments we could infer and verify the orientation status of alleles in the 8p23.1 region by detecting two short haplotype stretches at both ends of the inverted region, which are likely the relic of the chromosome in which the original inversion occurred. Moreover, an impact of 8p23.1 inversion on gene expression levels cannot be ruled out, since four genes from this region have statistically significant different expression levels depending on the inversion status. FISH results in lymphoblastoid cell lines suggest the presence of mosaicism regarding the 8p23.1 inversion.

Recent human evolution has shaped geographical differences in susceptibility to disease

Background: Searching for associations between genetic variants and complex diseases has been a very active area of research for over two decades. More than 51,000 potential associations have been studied and published, a figure that keeps increasing, especially with the recent explosion of array-based Genome-Wide Association Studies. Even if the number of true associations described so far is high, many of the putative risk variants detected so far have failed to be consistently replicated and are widely considered false positives. Here, we focus on the world-wide patterns of replicability of published association studies.Results: We report three main findings. First, contrary to previous results, genes associated to complex diseases present lower degrees of genetic differentiation among human populations than average genome-wide levels. Second, also contrary to previous results, the differences in replicability of disease associated-loci between Europeans and East Asians are highly correlated with genetic differentiation between these populations. Finally, highly replicated genes present increased levels of high-frequency derived alleles in European and Asian populations when compared to African populations. Conclusions: Our findings highlight the heterogeneous nature of the genetic etiology of complex disease, confirm the importance of the recent evolutionary history of our species in current patterns of disease susceptibility and could cast doubts on the status as false positives of some associations that have failed to replicate across populations.

Islands of euchromatin-like sequence and expressed polymorphic sequences within the short arm of human chromosome 21

The goals of the human genome project did not include sequencing of the heterochromatic regions. We describe here an initial sequence of 1.1 Mb of the short arm of human chromosome 21 (HSA21p), estimated to be 10% of 21p. This region contains extensive euchromatic-like sequence and includes on average one transcript every 100 kb. These transcripts show multiple inter- and intrachromosomal copies, and extensive copy number and sequence variability. The sequencing of the "heterochromatic" regions of the human genome is likely to reveal many additional functional elements and provide important evolutionary information.

Prominent use of distal 5’ transcription start sites and discovery of a large number of additional exons in ENCODE regions

This report presents systematic empirical annotation of transcript products from 399 annotated protein-coding loci across the 1% of the human genome targeted by the Encyclopedia of DNA elements (ENCODE) pilot project using a combination of 5' rapid amplification of cDNA ends (RACE) and high-density resolution tiling arrays. We identified previously unannotated and often tissue- or cell-line-specific transcribed fragments (RACEfrags), both 5' distal to the annotated 5' terminus and internal to the annotated gene bounds for the vast majority (81.5%) of the tested genes. Half of the distal RACEfrags span large segments of genomic sequences away from the main portion of the coding transcript and often overlap with the upstream-annotated gene(s). Notably, at least 20% of the resultant novel transcripts have changes in their open reading frames (ORFs), most of them fusing ORFs of adjacent transcripts. A significant fraction of distal RACEfrags show expression levels comparable to those of known exons of the same locus, suggesting that they are not part of very minority splice forms. These results have significant implications concerning (1) our current understanding of the architecture of protein-coding genes; (2) our views on locations of regulatory regions in the genome; and (3) the interpretation of sequence polymorphisms mapping to regions hitherto considered to be "noncoding," ultimately relating to the identification of disease-related sequence alterations.

Tandem chimeric transcription as a means to increase protein diversity in the human genome

The “one-gene, one-protein” rule, coined by Beadle and Tatum, has been fundamental to molecular biology. The rule implies that the genetic complexity of an organism depends essentially on its gene number. The discovery, however, that alternative gene splicing and transcription are widespread phenomena dramatically altered our understanding of the genetic complexity of higher eukaryotic organisms; in these, a limited number of genes may potentially encode a much larger number of proteins. Here we investigate yet another phenomenon that may contribute to generate additional protein diversity. Indeed, by relying on both computational and experimental analysis, we estimate that at least 4%–5% of the tandem gene pairs in the human genome can be eventually transcribed into a single RNA sequence encoding a putative chimeric protein. While the functional significance of most of these chimeric transcripts remains to be determined, we provide strong evidence that this phenomenon does not correspond to mere technical artifacts and that it is a common mechanism with the potential of generating hundreds of additional proteins in the human genome.

Characterization and evolution of the novel gene family FAM90A in primates originated by multiple duplication and rearrangement events

Genomic plasticity of human chromosome 8p23.1 region is highly influenced by two groups of complex segmental duplications (SDs), termed REPD and REPP, that mediate different kinds of rearrangements. Part of the difficulty to explain the wide range of phenotypes associated with 8p23.1 rearrangements is that REPP and REPD are not yet well characterized, probably due to their polymorphic status. Here, we describe a novel primate-specific gene family, named FAM90A (family with sequence similarity 90), found within these SDs. According to the current human reference sequence assembly, the FAM90A family includes 24 members along 8p23.1 region plus a single member on chromosome 12p13.31, showing copy number variation (CNV) between individuals. These genes can be classified into subfamilies I and II, which differ in their upstream and 5′-untranslated region sequences, but both share the same open reading frame and are ubiquitously expressed. Sequence analysis and comparative fluorescence in situ hybridization studies showed that FAM90A subfamily II suffered a big expansion in the hominoid lineage, whereas subfamily I members were likely generated sometime around the divergence of orangutan and African great apes by a fusion process. In addition, the analysis of the Ka/Ks ratios provides evidence of functional constraint of some FAM90A genes in all species. The characterization of the FAM90A gene family contributes to a better understanding of the structural polymorphism of the human 8p23.1 region and constitutes a good example of how SDs, CNVs and rearrangements within themselves can promote the formation of new gene sequences with potential functional consequences.