Los científicos mapean redes de genes inmunes asociados a enfermedades

Usando nuevas tecnologías para estudiar miles de genes simultáneamente dentro de las células inmunes, los investigadores de los Institutos Gladstone, UC San Francisco (UCSF) y la Escuela de Medicina de Stanford han creado el mapa más detallado hasta ahora de cómo las redes complejas de genes funcionan juntas. Los nuevos conocimientos sobre cómo estos genes se relacionan entre sí arrojan luz tanto sobre los impulsores básicos de la función de las células inmunitarias como sobre las enfermedades inmunitarias.

«Estos resultados nos ayudan a desarrollar un mapa de red sistemático que puede servir como un manual de instrucciones sobre cómo funcionan las células inmunitarias humanas y cómo podemos diseñarlas para nuestro beneficio», dice Alex Marson, MD, Ph.D., director de Gladstone -Instituto de Inmunología Genómica de la UCSF y coautor principal del nuevo estudio, publicado en Genética de la Naturaleza.

El estudio, realizado en colaboración con Jonathan Pritchard, Ph.D., profesor de genética y biología en la Escuela de Medicina de Stanford, también es fundamental para comprender mejor cómo las variaciones en los genes de una persona están conectadas con su riesgo de enfermedad autoinmune.

Conocimientos inmunológicos de CRISPR

Los investigadores saben que cuando las células T del sistema inmunitario (glóbulos blancos que pueden combatir las infecciones y el cáncer) se activan, los niveles de miles de proteínas dentro de las células cambian. También saben que muchas de las proteínas están interconectadas de tal manera que los cambios en el nivel de una proteína pueden causar cambios en el nivel de otra.

Los científicos representan estas conexiones entre proteínas y genes como redes que parecen un mapa del metro. Es importante mapear estas redes porque pueden ayudar a explicar por qué las mutaciones en dos genes inmunitarios diferentes pueden conducir a la misma enfermedad, o cómo un fármaco puede tener un impacto en muchas proteínas inmunitarias a la vez.

En el pasado, los científicos han mapeado una parte de estas redes eliminando el gen de cada proteína, uno a la vez, y estudiando el impacto en otros genes y proteínas, así como en la función general de las células inmunitarias. Pero este tipo de enfoque «descendente» solo revela la mitad del panorama.

«Realmente queríamos ver qué es lo que controla los genes inmunes clave», dice Jacob Freimer, Ph.D., becario postdoctoral en los laboratorios de Marson y Pritchard, y primer autor del nuevo artículo. «Este tipo de enfoque ascendente no se había realizado antes en células humanas primarias».

Este enfoque ascendente sería como mapear las rutas del metro identificando primero los centros principales y luego descifrando las rutas a esas estaciones clave, en lugar de reconstruir minuciosamente toda la red a partir de estaciones satelitales dispares.

Freimer y sus colaboradores recurrieron al sistema de edición de genes CRISPR-Cas9, que les permitió alterar miles de genes a la vez. Se concentraron en los genes que producen un tipo de proteínas conocidas como factores de transcripción. Los factores de transcripción son los interruptores que activan o desactivan otros genes y pueden controlar muchos genes a la vez. Luego, los científicos estudiaron el impacto de la interrupción de estos factores de transcripción en tres genes inmunitarios que se sabe que desempeñan un papel importante en la función de las células T: IL2RA, IL-2 y CTLA4. Estos tres genes fueron centros que anclaron los esfuerzos de mapeo aguas arriba.

«Esto nos permitió analizar más de mil factores de transcripción y ver cuáles tienen un impacto en estos genes inmunitarios», dice Freimer.

Una red interconectada

Los investigadores sospecharon que encontrarían conexiones entre los genes que regulan IL2RA, IL-2 y CTLA, pero se sorprendieron por el alcance de la conectividad que descubrieron. Entre los 117 reguladores que controlaban los niveles de al menos uno de los tres genes, 39 controlaron dos de los tres y 10 reguladores alteraron simultáneamente los niveles de los tres genes.

Para ayudar a completar aún más el mapa de genes inmunitarios, el equipo adoptó a continuación un enfoque más tradicional, eliminando 24 de los reguladores identificados de las células T para mostrar la lista completa de genes que regulan, además de IL2RA, IL-2 y CTLA4. .

Los investigadores demostraron que muchos de los reguladores se controlaban entre sí. El factor de transcripción IRF4, por ejemplo, alteró la actividad de otros 9 reguladores y fue regulado por otros 15 reguladores; los 24 niveles controlados de IL2RA. En otros casos, los propios reguladores estaban regulados por IL2RA, en los llamados «bucles de retroalimentación».

Como en una densa red de metro, cada centro estaba conectado a muchos otros, y las conexiones se realizaban en ambos sentidos.

«Hubo casos en los que un factor de transcripción regulaba IL2RA, pero luego IIL2RA mismo también controlaba ese mismo factor de transcripción», dice Freimer. «Parece que este tipo de circuitos de retroalimentación y redes regulatorias están mucho más interconectados de lo que pensábamos anteriormente».

volver a los pacientes

Entre la lista completa de genes controlados por los reguladores estudiados, el equipo de investigación encontró una gran cantidad de genes ya relacionados con enfermedades inmunitarias, como la esclerosis múltiple, el lupus y la artritis reumatoide.

El nuevo mapa ayudó a revelar cómo los cambios genéticos asociados con estas enfermedades pueden aparecer en diferentes genes, pero, debido a las conexiones reguladoras entre genes, terminan teniendo el mismo efecto neto en las células. También apunta a grupos clave de genes que podrían ser el objetivo de los medicamentos para tratar enfermedades inmunitarias. El estudio sugiere que existe una red central de genes importantes, y cuando esta red se altera, puede aumentar el riesgo de enfermedad de una persona.

«Cuando entendemos las formas en que estas redes y vías están conectadas, comienza a ayudarnos a comprender las colecciones clave de genes que deben funcionar correctamente para prevenir enfermedades del sistema inmunológico», dice Marson.