Las células madre pluripotentes inducidas revelan las causas de la enfermedad
Usando una nueva terapia basada en células madre específica para el paciente, los investigadores del Instituto Nacional del Ojo (NEI) previnieron la ceguera en modelos animales de atrofia geográfica, la forma avanzada «seca» de la edad- la degeneración macular relacionada (AMD), que es una de las principales causas de pérdida de la visión entre las personas de 65 años o más. Los protocolos establecidos por el estudio en animales, publicado el 16 de enero en Science Translational Medicine (STM), sentaron las bases para un primer ensayo clínico en humanos que prueba la terapia en personas con atrofia geográfica, para la que actualmente no existe tratamiento. Como se muestra en esta ilustración, los investigadores tomarán las células sanguíneas de un paciente y las convertirán en un laboratorio en células madre pluripotentes inducidas (células iPS), que son capaces de convertirse en cualquier tipo de célula del cuerpo. Luego, las células iPS se programarían para convertirse en células del epitelio pigmentario de la retina (RPE), el tipo de célula que muere temprano en la forma de atrofia geográfica de AMD. Crédito: Instituto Nacional del Ojo, NIH
Las células madre pluripotentes inducidas (iPSC) son adecuadas para descubrir los genes que subyacen a enfermedades genéticas raras y complejas. Científicos del Centro Alemán de Investigación del Cáncer (DKFZ) y el Laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL), junto con socios internacionales, han estudiado las relaciones genotipo-fenotipo en iPSC utilizando datos de aproximadamente 1000 donantes.
Se han identificado decenas de miles de pequeñas variaciones genéticas (SNP, polimorfismos de un solo nucleótido) en el genoma humano que están asociadas con enfermedades específicas. Muchas de estas variantes genéticas no se encuentran en las regiones codificantes de proteínas de los genes, sino que afectan a las secciones reguladoras. Por lo tanto, los científicos están tratando de averiguar si estas variantes pueden vincularse con cambios en la actividad de genes específicos y en qué tejidos.
Por lo general, estos análisis se realizan en células sanguíneas o biopsias de tejido, según el tipo de enfermedad «Sin embargo, las células madre pluripotentes podrían ser más adecuadas para este propósito en muchos casos, ya que no están diferenciadas y, por lo tanto, reflejan el estado ancestral de todas las células», dice Oliver Stegle, jefe de división del Centro Alemán de Investigación del Cáncer y líder de grupo en EMBL. . «Las células madre podrían ser particularmente relevantes cuando se busca la causa de enfermedades que ocurren en etapas tempranas del desarrollo».
Las células madre pluripotentes se pueden generar en la placa de cultivo a partir de células normales del cuerpo obtenidas de una muestra de sangre, por ejemplo. Se les conoce como «células madre pluripotentes inducidas» o iPSC para abreviar, ya que no son células madre naturales.
Junto con científicos de la Universidad de Stanford y otros socios de cooperación internacional, el equipo de Oliver Stegle ha compilado datos de secuencia y transcriptoma en iPSC de alrededor de 1000 donantes. Los investigadores examinaron sistemáticamente estos datos para identificar correlaciones entre variantes genéticas individuales y patrones de expresión alterados en células madre. Los resultados ahora se han publicado en la revista Nature Genetics.
Para más del 67 % de todos los genes activos en las iPSC, los investigadores encontraron patrones de expresión diferenciales según las variantes genéticas. Muchas de estas asociaciones son nuevas y no se han descrito antes en tipos de células somáticas. Para más de 4000 de estas asociaciones, las variantes genéticas responsables de los patrones de expresión alterados podrían vincularse a enfermedades específicas. Estos incluyeron, por ejemplo, variantes asociadas con enfermedades coronarias, trastornos del metabolismo de los lípidos o cánceres hereditarios.
Stegle y sus colegas también investigaron si las iPS son adecuadas para identificar los genes causantes de enfermedades genéticas raras. Utilizaron líneas iPSC de 65 pacientes que padecían diversas enfermedades raras, cuyos defectos genéticos causales ya se conocían a través de análisis previos. En los datos del transcriptoma de estas líneas iPSC, los científicos buscaron «valores atípicos» particularmente conspicuos en el patrón de expresión. Estos análisis condujeron de forma fiable a la traza de la base genética de la enfermedad. «Estas evaluaciones eran imposibles anteriormente porque simplemente no había colecciones de referencia lo suficientemente grandes de transcriptomas iPS», explicó Marc Jan Bonder, primer autor del estudio.
«Nos sorprendió encontrar una cantidad tan grande de transcriptomas de enfermedades -variantes genéticas asociadas que ya son visibles en el patrón de expresión en el momento más temprano de la diferenciación celular, representado por las iPSC». Hasta ahora, la relevancia de las iPSC para tales análisis biomédicos se ha subestimado significativamente.
En un artículo complementario, publicado en la misma edición de Nature Genetics, Stegle y colegas de EMBL-EBI y el Wellcome Trust Sanger Institute usó más de 200 líneas iPSC para investigar cómo las variantes genéticas afectan la diferenciación en células neuronales.
Los científicos realizaron la secuenciación de una sola célula de ARN en diferentes momentos de la diferenciación de las células neuronales. Esto les permitió analizar cómo las variantes genéticas afectan los patrones de expresión en diferentes estados celulares, incluidos diferentes tipos de células neuronales. «El estudio demuestra el poder de combinar la secuenciación de una sola célula con tecnologías iPSC para diseccionar el efecto de las variantes genéticas en tipos de células que de otro modo serían inaccesibles», explica Stegle.
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En cuatro artículos relacionados, los investigadores describen herramientas nuevas y mejoradas para la investigación con células madre. Más información: Identificación de variantes de enfermedades raras y comunes utilizando transcriptómica a escala poblacional de células pluripotentes. Nature Genetics 2021, DOI: dx.doi.org/10.1038/s41588-021-00800-7
Perfil de RNA-seq unicelular a escala de población a través de la diferenciación de neuronas dopaminérgicas. Nature Genetics 2021, DOI: dx.doi.org/10.1038/s41588-021-00801-6 Información de la revista: Nature Genetics