Estudi bioinformàtic de la funcionalitat i conservació de l’splicing alternatiu

Abstract

L'estudi de les diferències fenotípiques entre espècies, i entre individus, ha estat una de les grans qüestions fonamentals en els camps de la biologia evolutiva i la genètica. Ben aviat, es va fer palès que la regulació de l’expressió gènica tindria un paper clau en establir aquestes diferències de complexitat. L’adveniment de les tècniques massives de seqüenciació no van sinó confirmar aquesta visió primerenca. Avui dia coneixem un grapat de mecanismes que determinen aquestes diferències entre organismes, com són la divergència de seqüència proteica, la duplicació gènica o la divergència de la regió cis-reguladora, entre d’altres.

En la darrera dècada, l’splicing alternatiu ha anat afermant-se com a mecanisme post-transcripcional freqüent i ha anat prenent protagonisme com a font de variabilitat de transcrits i isoformes proteiques, a més a més de jugar un paper regulador de l’expressió gènica. Per tant, l’splicing alternatiu és un ferm candidat a introduir diferències substancials al proteoma que expliquin la diversitat fenotípica entre organismes.

Així doncs, aquest treball es va marcar com a objectiu aclarir fins a quin punt la variabilitat que introduïa l’splicing alternatiu tenia implicacions en el fenotip, quina era la seva conservació i si actuava de manera coordinada o independent amb d’altres mecanismes. En primer lloc, vam estudiar la relació que hi havia entre l’splicing alternatiu i les altres fonts moleculars de diversitat fenotípica i si era possible que l’splicing alternatiu pogués introduir variabilitat amb implicacions fenotípiques per si sola. A continuació, ens vam centrar en els mecanismes reguladors de l’expressió gènica basats en splicing alternatiu, analitzant les seves propietats i la seva conservació entre espècies. Finalment, vam examinar la implicació de l’splicing alternatiu en el fenomen de la domin{ncia gènica, ja que és un procés conegut que determina diferències fenotípiques intraespecífiques.

El primer pas fou, doncs, comparar l’splicing alternatiu amb d’altres fonts moleculars de diferències fenotípiques: les divergències de la seqüència proteica, de la regió cis-reguladora del gen i de l’expressió gènica entre hum{ i ratolí. En un estudi massiu de les propietats de tots aquests fenòmens entre 13970 parelles d’ortòlegs, vam observar que l’splicing alternatiu podia introduir diferències abans que les altres variables poguessin fer-ho. Quan les identitats de seqüència proteica o de la regió cis-reguladora eren massa elevades com per introduir diferències, l’splicing alternatiu ja presentava patrons prou diferents en la concurrència d’splicing entre hum{ i ratolí. A més a més, la relació entre l’equivalència d’isoformes amb aquestes divergències també va resultar ser molt lleu, fet que ens va fer pensar que l’splicing alternatiu pot introduir isoformes específiques que contribueixin a les diferències entre espècies abans que les altres divergències puguin fer-ho.

Pel que fa al segon bloc, vam investigar la conservació i propietats dels mecanismes reguladors de l’expressió gènica basats en AS. Primer de tot, vam confirmar la independència entre les divergències d’expressió gènica i l’splicing alternatiu, fet que ens indica que actuen a diferents nivells. A continuació, vam definir i classificar aquests mecanismes reguladors depenent com l’splicing alternatiu alterava l’arquitectura de dominis de les isoformes. La conservació d’aquests efectes, dels mecanismes reguladors basats en AS, va resultar ser baixa per tots els casos. Pel que fa als esdeveniments on es perdien un o més dominis a les isoformes alternatives, a més a més de ser baixa la conservació del mecanisme, també ho va ser l’equivalència dels esdeveniments d’splicing alternatiu. Així, tot i tenir efectes a nivell de seqüència no homòlegs, la funció es conservava, fet que ens porta a suggerir que aquests esdeveniments d’AS són un exemple de convergència funcional.

Per últim, ens vam fixar en el procés de la dominància, abastament conegut, que introdueix diferències fenotípiques clares entre individus de la mateixa espècie, sobretot en el cas de malalties. Donat el fet que es coneixia una relació inversa entre paralogia i haploinsuficiència, per una banda, i paralogia i splicing per l’altra, sumat a la capacitat d’introduir variabilitat per part de l’splicing alternatiu, vam endegar aquest estudi amb la idea de descriure la relació entre dominància i splicing. El resultat final ens va mostrar una independència dels dos processos, fet que ens va fer qüestionar la relació entre paralogia i splicing alternatiu. Per la resta de variables estudiades, la caracterització de la dominància va concordar amb els resultats de treballs anteriors.

RESUMEN

El estudio de las diferencias fenotípicas entre especies ha sido una de les cuestiones fundamentales de la biología evolutiva y la genética. Muy pronto fue evidente que la regulación de la expresión génica seria clava en el establecimiento de estas diferencias, tesis confirmada con las técnicas masivas de secuenciación actuales. Hoy en día, se conocen una serie de mecanismos que determinan estas diferencias, como son la divergencia de la secuencia proteica, la duplicación génica o la divergencia de la región cis-reguladora. En la última década, el splicing alternativo (AS) ha ido afianzándose como mecanismo post-transcripcional y ha ido tomando protagonismo como fuente de variabilidad de transcritos y isoformas, además de jugar un papel regulador de la expresión génica. Por lo tanto, el AS es un firme candidato a introducir diferencias sustanciales en el proteoma que expliquen la diversidad fenotípica entre organismos. Así pues, este trabajo se marcó como objetivo aclarar hasta qué punto la variabilidad que introducía el AS tenía implicaciones en el fenotipo, cuál era su conservación y si actuaba de manera coordinada o independiente con otros mecanismos. En primer lugar, estudiamos la relación que había entre el AS y las otras fuentes moleculares de diversidad fenotípica y si era posible que el AS pudiera introducir variabilidad con implicaciones fenotípicas por sí sola. A continuación, nos centramos en los mecanismos reguladores de la expresión génica basados en AS, analizando sus propiedades y su conservación entre especies. Finalmente, examinamos la implicación del AS en la dominancia génica. En el primer bloque comparamos el AS con otras fuentes moleculares de diferencias fenotípicas: las divergencias de la secuencia proteica, de la región cis-reguladora del gen y de la expresión génica entre humano y ratón. En un estudio masivo de las propiedades de todos estos fenómenos entre 13.970 ortólogos, observamos que el AS podía introducir diferencias antes que las otras variables pudieran hacerlo. Cuando las identidades de secuencia proteica o de la región cis-reguladora eran demasiado elevadas como para introducir diferencias, el AS ya presentaba patrones bastante diferentes en la concurrencia de AS entre humano y ratón. Además, la relación entre la equivalencia de isoformas con estas divergencias también resultó ser muy leve, lo que nos hizo pensar que el AS puede introducir isoformas específicas que contribuyan a las diferencias entre especies antes que las demás divergencias puedan hacerlo. En el segundo bloque investigamos la conservación y propiedades de los mecanismos reguladores de la expresión génica basados en AS. En primer lugar, confirmamos la independencia entre las divergencias de expresión génica y del AS, lo que nos indica que actúan a diferentes niveles. A continuación, definimos estos mecanismos reguladores dependiendo como el AS alteraba la arquitectura de dominios de las isoformas. La conservación de los mecanismos reguladores basados en AS resultó ser baja en todos los casos. En cuanto a los eventos donde se perdían uno o más dominios en las isoformas alternativas, también fue baja la equivalencia de los eventos de AS. Así, pese a tener efectos a nivel de secuencia no homólogos, la función se conservaba, lo que nos permite sugerir que éste es un escenario de convergencia funcional. Por último, nos fijamos en el proceso de la dominancia, largamente conocido, que introduce diferencias fenotípicas intraespecíficas. Dado que se conocía una relación inversa entre paralogía y haploinsuficiencia, por un lado, y paralogía y AS por la otra, sumado a la capacidad de introducir variabilidad por parte del AS, iniciamos este estudio con la idea de describir la relación entre dominancia y AS. El estudio nos mostró una independencia de los dos procesos, cuestionando así la relación entre paralogía y AS. Para el resto de variables estudiadas, la caracterización de la dominancia concordó con resultados de trabajos anteriores.

The study of phenotypic differences between species, and between individuals, has been one of the great fundamental questions in the fields of evolutionary biology and genetics. Soon, it became clear that the regulation of gene expression would have a key role in establishing these differences in complexity. The advent of mass sequencing techniques did confirm this view. Nowadays, we know a handful of mechanisms that determine these differences between organisms, such as protein sequence divergence, gene duplication and divergence of cis-regulatory region, among others. In the last decade, alternative splicing has been asserting itself as a post-transcriptional mechanism and frequently has taken center stage as a source of variability of transcripts and protein isoforms, and also as a key player in the regulation the gene expression. Therefore, alternative splicing is a strong candidate to introduce substantial differences in the proteome that could explain the phenotypic diversity among organisms. Thus, this work was intended to clarify to what extent the variability introduced the alternative splicing (AS) had implications for the phenotype, which was its conservation and if it acted in a coordinated or independent way relative to other mechanisms. First, we studied the relationship that existed between AS and other sources of molecular and phenotypic diversity and elucidate if AS could introduce phenotypic variability with its own implications. Then we focused on the regulatory mechanisms of gene expression based on AS, analyzing their properties and their conservation between species. Finally, we examined the involvement of AS in the phenomenon of genetic dominance, since it is a known process that determines intraspecific phenotypic differences. The first step was therefore to compare the AS with other sources of molecular phenotypic differences: differences in the protein sequence, the cis-regulatory region of the gene and gene expression between human and mouse. In a massive study of the properties of these phenomena among 13,970 pairs of orthologous, we observed that alternative splicing could introduce differences before other variables could do it. When the identities of protein sequence or cis-regulatory region were too high for introducing differences, AS patterns appeared quite different in the occurrence of splicing between human and mouse. Furthermore, we found that the relationship between the equivalence of isoforms with those differences was very mild, which made us think that AS can introduce specific isoforms that contribute to differences between species before other divergences can do it. Regarding the second section, we investigated the properties and the conservation of the regulatory mechanisms of gene expression based on AS. First, we confirmed the independence between the divergence of gene expression and AS, which indicates that they act at different levels. Then we defined and classified these regulatory mechanisms depending on how the AS altered the domain architecture of the isoforms. The conservation of these effects, the regulatory mechanisms based on AS, was found to be low for all cases. With regard to the events where they lost one or more domains in the alternative isoforms, in addition to the low conservation of the mechanism, it was also low the equivalence of alternative splicing events. So, despite having an non-homologue effect on the level of sequence, the function was preserved, which leads us to suggest that these AS events are an example of functional convergence. Finally, we studied the well known process of dominance which introduces clear phenotypic differences between individuals of the same species, especially in the case of diseases. Given the fact that it is known the inverse relationship between paralogy and haploinsufficiency and, in the other hand, the inverse relationship between paralogy and AS, adding to this the ability of introducing variability by AS, we undertook this study with the idea of describe the relationship between dominance and splicing. The final result showed us that they are two independent processes, which made us question the relationship between paralogy and AS. For the remaining variables, the characterization of the dominance results agreed with previous work.