Análisis bioinformático de cambios transcriptómicos en disfunción sináptica y neurodegeneración

Ante una disfunción/degeneración de los terminales nerviosos las neuronas probablemente experimenten cambios en la expresión génica en un gran número de los miles de genes responsables del funcionamiento neuronal.

Sede

US

Tecnología

Machine learning

Sector

2

Agentes agregados

Centro Andaluz de Estudios Bioinformáticos (CAEBI)

Resumen de la propuesta

Ante una disfunción/degeneración de los terminales nerviosos las neuronas probablemente experimenten cambios en la expresión génica en un gran número de los miles de genes responsables del funcionamiento neuronal. Nuestro grupo ha obtenido resultados de este tipo en varios modelos de ratón y nematodo genéticamente modificados que tienen en común una mutación en un gen (CSP/DNAJC5/Dnj14) implicado en mantenimiento y degeneración de los terminales nerviosos.  El análisis bioinformático y comparación de estos resultados es complejo pero puede dar lugar a hallazgos de gran utilidad en términos de identificación de genes y rutas bioquímicas, claves en degeneración y susceptibles para diseño de intervención terapéutica, mediante la aplicación de técnicas de inferencia estadística y aprendizaje automático (machine-learning).

Objetivo del proyecto

1. Análisis bioinformático de datos de transcriptómica en célula única (modelo PV-Cre:Ai27: DnajC5 flox/- y flox/+) utilizando técnicas de técnicas de inferencia estadística y aprendizaje automático (machine-learning). Parte de este análisis está avanzado en una primera fase realizada con la versión 2 de Seurat ((Beutler et al., Nat. Biotech. 36:411-420 (2018);  Tesis Doctoral Marina Valenzuela-Villatoro (2019) y colaboración D. Hjerling-Leffler, Karolinska Institutet). Desde abril de 2019 está disponible la versión 3 de Seurat que será aplicada a estos datos por primera vez (Stuart, Beutler et al., Cell 177:1888-1902 (2019)).

2. Análisis bioinformático de datos disponibles generados en nuestro laboratorio de microarray obtenidos de hipocampo de ratones (CSP/DNAJC5 KO y controles) y nematodos (Dnj14, tm3223; colaboración Dr.Miranda-Vizuete IBiS). Estudio integrativo con los datos de de transcriptómica en célula única.

3. Validación experimental de los datos inferidos en los objetivos 1 y 2 mediante análisis in situ de RNA (RNA-scope), niveles de proteinas específicas (western blot y análisis de inmmunofluorescencia en cerebro), microscopía electrónica y ensayos funcionales en ratones genéticamente modificados.  Formulación de posibles diseños de estrategias de intervención terapéutica.

Resultados esperados e indicadores

1. Colección de genes y rutas bioquímicas que definen la transformación neuronal durante y en respuesta a la disfunción sináptica.
2. Al menos dos comunicaciones a congresos internacionales y uno a un congreso nacional.
3. Al menos un manuscrito para publicación en una revista bien considerada del campo de las Neurociencias o la Biología de Sistemas.
4. Consideración y, si procede, identificación de resultados con interés biomédico que puedan protegerse para su explotación industrial dentro de un contexto de diseño de intervención terapéutica.

Indicadores (esperados hasta el 31/12/2021)¬¬
    Nuevo personal investigador (equivalente anual): 0
    Patentes: Se considerará dependiendo de los resultados.
    Nº contratos transferencia: Se considerará dependiendo de los resultados.
    Congresos: 2 internacionales y 1 nacional
    Publicaciones indexadas: 1
    Tesis doctorales: Parte de estos resultados podrían incluirse en una (1) tesis doctoral.

Justificación potencial impacto tecnológico del proyecto (TRL)

El impacto potencial de los resultados es muy amplio y abarca diferentes niveles TRL.  Se investigan principios básicos de la expresión génica neuronal ante una disfunción sináptica/neurodegeneración que no son bien conocidos (TRL1)  y que esperan ser detectados mediante tecnología de "machine-learning" aplicada a la bioinformática (TRL2). La validez de los resultados será examinada experimentalmente in vitro (TRL4) e in vivo en modelos animales (TRL5). En perspectiva la modificación farmacológica de las rutas encontradas puede considerarse un abordaje prototipo dentro del ámbito terapéutico para paliar la evolución de trastornos neurodegenerativos (TRL7).

Avances

Ante una disfunción/degeneración de los terminales nerviosos las neuronas probablemente experimenten cambios en la expresión génica en un gran número de los miles de genes responsables del funcionamiento neuronal. Nuestro grupo ha obtenido resultados de este tipo en un modelo de ratón carente de un gen (CSPalfa/DNAJC5) implicado en mantenimiento y degeneración de los terminales nerviosos. El análisis bioinformático y comparación de estos resultados es complejo pero puede dar lugar a hallazgos de gran utilidad en términos de identificación de genes y rutas bioquímicas, claves en degeneración y susceptibles para diseño de intervención terapéutica, mediante la aplicación de técnicas de inferencia estadística y aprendizaje automático (machine-learning).

Las actividades que se han llevado a cabo han dado lugar a la obtención de resultados relevantes:

1. Análisis bioinformático utilizando abordajes de “machine-learning” aplicado a la transcriptómica basado en el nuevo paquete de análisis Seurat 3 (Stuart, Beutler et al., Cell 177:1888-1902 (2019)). Este análisis lo ha llevado a cabo la empresa CAEBI.

2. Validación experimental de datos obtenidos a partir del análisis bioinformático. Esta validación se ha llevado a cabo mediante las técnicas de RNAscope, inmunohistoquímica y cuantificación de proteínas en ratones genéticamente modificados. La técnica de RNAscope ha sido particularmente útil como abordaje para estudiar cuantitativamente la expresión de genes en neuronas GABAérgicas inhibidoras en la corteza cerebral de los ratones mutantes.

Globalmente estos datos indican que un tipo de neuronas GABAérgicas inhibidoras, con un defecto funcional en sus terminales nerviosos, experimentan un claro proceso de transformación de su expresión génica. Actualmente estamos en fase de interpretar las implicaciones fisiopatológicas de estos cambios. Hipotetizamos que estos cambios podrían constituir una respuesta compensadora encaminada a mantener la funcionalidad de los circuitos neuronales de los que forman parte estas neuronas. El conocimiento detallado de las rutas bioquímicas implicadas podría ser de utilidad para comprender cambios similares que podrían existir en ciertas patologías neurales humanas y, en perspectiva, abrir posibilidades al diseño de estrategias terapéuticas moleculares dirigidas.

Neuronas de la corteza de un ratón genéticamente modificado marcadas con anticuerpos contra parvalbúmina (rojo) y la aglutinina de Wisteria floribunda (verde) que revela la existencia de una estructura denominada red perineural. Las neuronas GABAérgicas que expresan parvalbúmina están afectadas en diversos trastornos mentales y neurodegenerativos y el repertorio de genes que expresan están siendo investigadas en el presente proyecto.

 

CEI_14_CTS_600

Hemos solicitado una plaza de investigador predoctoral dentro del Programa Becas de Doctorado INPhINIT ”la Caixa” que supondría la continuación de un proyecto directamente derivado de los resultados obtenidos en el presente proyecto (https://www.ibis-sevilla.es/agenda/noticias/2020/11/el-ibis-convoca-10-becas-de-doctorado-a-traves-del-programa-inphinit-de-la-fundacion-“la-caixa”.aspx).

Congresos: Una presentación de poster por parte de Marina Valenzuela-Villatoro que presentó los resultados en la Reunión Anual del Centro Investigación Biomédica en Red de Enfermedades Neurodegenerativas (CIBERNED) en septiembre 2020.

Tesis doctorales: 2 tesis en progreso por las doctorandas Cristina Mesa Cruz (Graduada en Bioquímica) y Fátima Mesa Cruz (Graduada en Biomedicina Básica y Experimental) en las que se están empleando metodologías implementadas dentro de este proyecto.