El descubrimiento de
elementos reguladores en
los vertebrados a través de
comparación de genomas
Por
Pilar Gonzalez Gomez
Alberto 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
Técnica de phylogenetic
footprinting para el descubrimiento
de elementos reguladores
• Comparando regiones reguladoras
ortólogas de ciertas especies las técnicas
de phylogenetic footprinting predicen las
subsecuencias que podrían funcionar
como elementos reguladores potenciales.
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/chimpa
ncé/ratón/rata
Comparación de herramientas de
phylogenetic footprinting
Comparación de
las herramientas
de alineamiento
en:
945 conjuntos de
datos del grupo
humano/chimpan
cé
/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 .
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