Atlas transcriptómicos, dónde y cuándo se expresan los genes en los organismos
Joselyn Cristina Chávez Fuentes
Los genes son las instrucciones que cada una de nuestras células contiene para realizar diferentes funciones; por ejemplo, utilizar la comida que ingerimos para convertirla en energía, defendernos de las enfermedades, o crear nuevas células. Aunque todas las células de nuestro cuerpo contienen el mismo libro de instrucciones, los genes crean copias de sí mismos de manera específica dependiendo del tipo de célula y la función que realiza. La transcriptómica es una técnica que nos permite obtener y analizar el número de copias de cada gen en las células, a lo que se le conoce como niveles de expresión de los genes.
Para poder leer el número de copias de los genes (Figura 1), primero se agrega una bandera o etiqueta a cada gen para identificarlo; después, las células se analizan en un equipo especial que contará el número de veces que encontró las banderas. Una vez que analizamos la información, podemos comparar el número de copias de los genes de nuestro interés entre las diferentes células, por ejemplo, entre las células que le ayudan a nuestro cerebro a crear recuerdos.
Figura 1. Proceso general para conocer el número de copias de un gen por célula (Imagen elaborada por la autora usando BioRender).
¿Qué es la transcriptómica espacial?
En los últimos años, se han desarrollado tecnologías que nos permiten leer los niveles de expresión de los genes de cada célula, y adicionalmente se guarda la ubicación original de cada célula en el tejido que estamos analizando. Para utilizar estas tecnologías, se coloca una rebanada delgada del órgano o tejido sobre una lámina que contiene una cuadrícula numerada, como se muestra en la sección izquierda de la Figura 2.
Cuando colocamos la muestra en una máquina especializada, el equipo recorre cada cuadro y lee el número de copias de cada gen en ese cuadro. Una vez que el equipo termina de recorrer la cuadrícula, se compara la distribución de las copias de genes en las diferentes células a través del tejido. La generación de la información con las coordenadas de cada cuadro y el número de copias dentro de ellos es lo que llamamos transcriptómica espacial.
Cada tipo de célula en nuestro cuerpo tiene una combinación especial en los niveles de expresión de los genes; esta combinación particular nos permite diferenciar, por ejemplo, entre las células del cerebro y las células de la piel. Los programas de computadora nos permiten estudiar las combinaciones de los genes para identificar cuántos y cuáles tipos de células se encuentran en cada región de la muestra, creando así un mapa de las células, como podemos ver en la sección derecha de la Figura 2.
Figura 2. Pasos generales para crear datos de transcriptómica espacial. 1-2) Una muestra pequeña de tejido tomada de un órgano se coloca en un equipo especial que lee el número de copias de cada gen y la localización de cada célula. 3-4) Después, los datos se analizan con diversos programas que permiten identificar la identidad de las células y reconstruir su ubicación original en el tejido. (Imagen elaborada por la autora usando BioRender).
Los grandes atlas de las células
Diversos grupos de investigación alrededor del mundo han unido esfuerzos para crear grandes mapas de células usando todas las capas de un órgano. Recientemente, se logró generar un atlas completo del cerebro del ratón (Figura 3) que contiene no solo la ubicación de cada célula en cada capa del cerebro, sino también su identidad y el número de copias de cada gen. Estos mapas han sido muy útiles para estudiar enfermedades como el Alzheimer o el Parkinson, donde se han encontrado cambios en la cantidad y localización de células importantes para la memoria. Actualmente, se está tratando de crear un atlas similar utilizando el cerebro humano.
Figura 3. Células del sistema nervioso central presentadas en distintos colores en cerebro de ratón. (Imagen tomada del Allen Brain Cell Atlas).
Otra aplicación importante de la transcriptómica espacial es el estudio del surgimiento y distribución de los diferentes tipos de células durante el desarrollo. Mediante el análisis de transcriptómica espacial de embriones de ratón en diferentes etapas del desarrollo (Figura 4) se ha logrado determinar el momento exacto en el que surgen las células del corazón, el cerebro o la columna vertebral y cómo estos órganos cambian de forma y posición hasta verse como los conocemos.
Figura 4. La transcriptómica espacial permite estudiar la localización de las células de los órganos en embriones de ratón a través del desarrollo. Cada órgano es representado con un color diferente. (Imagen creada por la autora usando BioRender, basada en [1])
Podemos estudiar cómo las células hablan entre ellas
Aunque parezca difícil de creer, las células son capaces de comunicarse entre ellas mediante el intercambio de moléculas que sirven como señales de alerta. Incluso, las células que se encuentran cercanas dentro del tejido pueden formar pequeños vecindarios en donde la comunicación es más frecuente, lo que les ayuda a saber, por ejemplo, cuando el tejido ha sufrido un daño porque nos cortamos accidentalmente con una hoja de papel.
Figura 5. La transcriptómica espacial nos ayuda a estudiar la comunicación entre las células vecinas. Las células que se encuentran en regiones cercanas del tejido intercambian moléculas que sirven como señales o mensajes; esto les permite detectar cambios importantes en el cuerpo, como la entrada de virus y bacterias cuando nos enfermamos.
La transcriptómica espacial es un campo en desarrollo, donde continuamente se busca mejorar la precisión con la que se lee la información dentro de las células. Estos estudios amplían nuestro conocimiento sobre la organización y composición de cada órgano en nuestro cuerpo y en el futuro será de gran ayuda para mejorar el entendimiento y tratamiento de enfermedades relacionadas con cambios en la localización de los diferentes tipos de células y los niveles de sus genes.
Referencias
Chen, A., Liao, S., Cheng, M. et al. (2022). Spatiotemporal transcriptomic atlas of mouse organogenesis using DNA nanoball-patterned arrays. Cell 185, 10. #d# 10.1016/j.cell.2022.04.003.
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Acerca de las autoras
Joselyn es Doctora en Ciencias Bioquímicas y actualmente se encuentra realizando una estancia postdoctoral en el Departamento de Genética y Genómica de la escuela de Medicina Icahn del hospital Mount Sinai, en la ciudad de Nueva York. Su principal interés es la bioinformática y el desarrollo de paqueterías para análisis de datos transcriptómicos espaciales de célula única.
Contacto: joselynchavezf@gmail.com