You are here

    • You are here:
    • Home > Like an instruction manual, the genome groups genes together for convenience

Like an instruction manual, the genome groups genes together for convenience

NEWS

17
Sep
Tue, 17/09/2019 - 11:23

Like an instruction manual, the genome groups genes together for convenience

Scientists at the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona shed light on how the genome organizes groups of genes linked to specific processes, like the release of toxins 

EN ESPAÑOL - EN CATALÀ

  • Scientists at the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona shed light on how the genome organizes groups of genes linked to specific processes, like the release of toxins 
  • They carried out a study on fungi and found more than 11,000 gene families grouped together or near each other in the genome 
  • The results are published today in the journal Nature Microbiology 

Every living organism’s cell has a complete copy of DNA, life’s instruction book, which is condensed tightly in chromosomes. Every time the cell needs to perform a function, it activates genes that open or close different regions in the DNA. Like following an instruction manual with consecutive pages, it’s easier to activate two genes that are closer together to complete a function. 

Until now, we knew little how the genome of eukaryotic organisms (organisms with complex cells with a nucleus) organized groups of genes in accordance with their function, i.e. whether they were physically near or not. Previous studies have studied the link between gene clusters and the secondary metabolism, which are responsible to create penicillin and other toxins with antibiotic properties. 

In a study published today in Nature Microbiology, researchers from the Centre of Genomic Regulation (CRG) in Barcelona, led by ICREA Professor Toni Gabaldón, now at the Institute for Research in Biomedicine (IRB Barcelona) and the Barcelona Supercomputing Center-Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS), shed light on this sorting process in primary metabolism. They chose to study fungi because they have smaller genomes and are easier to sequence than other eukaryote species like plants or animals. 

“If genes for a specific biological process are placed near each other in the chromosome, they can co-regulate each other in a more coordinated and effective manner,” says Gabaldón. 

The scientists developed an algorithm capable of identifying genes near each other in genomes of different species according to their evolutionary history, i.e. looking for whether they were conserved clusters in different species of fungi, independently of the function they had. They predicted more than 11000 families of grouped genes in the genome. Of the 300 genomes analysed, they found that a third were part of a conserved group. 

“Natural selection means some genes are near each other for functional relevance. The way they’re organized isn’t random chance – they have been selected because it makes regulating genes easier. We’ve found that it’s pretty common, and that it affects an important proportion of the genome,” says Gabaldón. “The selective forces favour the conformations of genes that allow a smaller investment in energy and improved regulatory processes,” he adds. 

Previous studies of gene groups linked to secondary metabolism observed that they had a switch, a type of transcription factor, to turn them on and off. Other observations also found that these gene groups passed from one species to another in block, known as horizontal transfer, though no one knew why. 

The CRG scientists have now provided evidence that horizontal transfer may be less common than previously thought, and their most recent findings don’t represent what the genome does as a whole. They saw that a cluster made up of the same groups of genes appeared independently twice, in parallel distant lineages. 

Surely, the groups of genes carry out a specific function. “When you need something at a precise moment, it’s when you most need it to be co-regulated. A general function, which is active most of the time, doesn’t need such precise regulation”, says Marina Marcet-Houben, first author of the study. 

"Now we have a list of functions to explore. Some might have a pharmaceutical or industrial use. The gene candidates we have found affect a lot of different species that until now hadn’t been found. Many of them are interesting genes and it’s likely they code a function with an applied potential,” adds Gabaldón. 

The study’s findings were based on public databases. For this reason, the CRG has also publicised its results on primary genes. “We want to give this knowledge back to the scientific community thanks to the information and data we’ve gathered from the public domain”. 

--ENDS-- 

For more information: Gloria Lligadas, Head of Communications & PR, Centre for Genomic Regulation (CRG) – gloria.lligadas@crg.eu - Tel. +34 93 316 01 53  

Reference: Marcet-Houben M and Gabaldón T. “Evolutionary and functional patterns of shared gene clusters in fungi”. Nature Microbiology, Set 16 2019. http://dx.doi.org/10.1038/s41564-019-0552-0

Funding acknowledgements: TG group acknowledges support from the Spanish Ministry of Economy, Industry, and Competitiveness (MEIC) for the EMBL partnership, and grants ‘Centro de Excelencia Severo Ochoa 2013-2017’ SEV-2012-0208, and BFU2015-67107 cofounded by European Regional Development Fund (ERDF); from the CERCA Programme / Generalitat de Catalunya; from the Catalan Research Agency (AGAUR) SGR857, and grant from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under the grant agreement ERC-2016-724173 the Marie Sklodowska-Curie grant agreement No H2020-MSCA-ITN-2014-642095.  


EN ESPAÑOL

Como un libro de instrucciones, el genoma agrupa en regiones próximas los genes necesarios para algunas funciones 

  • Investigadores del Centro de Regulación Genómica (CRG), en Barcelona, arrojan luz sobre cómo el genoma organiza los grupos de genes implicados en procesos concretos, como la secreción de toxinas. 
  • Han realizado el estudio con hongos y han identificado más de 11.000 familias de genes agrupados o próximos en el genoma. 
  • Los resultados del estudio se publican en Nature Microbiology. 

Cada una de las células de un organismo vivo contiene una copia completa del ADN, el libro de instrucciones de la vida, que se encuentra muy compactado en los cromosomas. Cada vez que la célula quiere realizar una función, debe activar determinados genes y para ello tiene que abrir o desenrollar regiones del ADN y cerrar otras. Como si tuviera que leer unas instrucciones de montaje, le resulta más fácil activar dos genes al mismo tiempo si estos están cerca, en páginas consecutivas, que si tiene que ir cambiando de manual o abrir varios a la vez para completar una función. 

Hasta ahora se conocía muy poco sobre cómo los genomas de organismos eucariotas (organismos con células complejas con núcleo) organizan esos grupos de genes, es decir, cómo ubican los genes implicados en cada proceso físicamente próximos. Estudios previos se habían centrado en algunos de estos clusters relacionados con el metabolismo secundario, responsables de crear compuestos como la penicilina y otras toxinas con propiedades antibióticas. 

Ahora, investigadores del Centro de Regulación Genómica (CRG), en Barcelona, liderados por el profesor de investigación ICREA Toni Gabaldón, actualmente investigador del Instituto de Investigación Biomédica (IRB Barcelona) y el Barcelona Supercomputing Center-Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS), arrojan luz sobre ese proceso de organización en el metabolismo principal, en un estudio publicado en Nature Microbiology. Para ello, se han centrado en estudiar hongos, puesto que tienen genomas más pequeños y fáciles de secuenciar que los de otras especies de eucariotas, como por ejemplo plantas y animales.  

“Si tienes los genes que necesitas para una función situados cerca unos de otros en el cromosoma, se pueden co-regular de forma más coordinada y eficaz, según interesen”, explica Gabaldón. 

Los investigadores primero desarrollaron un algoritmo capaz de identificar genes próximos en genomas de distintas especies siguiendo un criterio evolutivo, es decir, observando si eran clusters conservados a lo largo de la evolución en distintas especies de hongos, independientemente de la función que tienen. De esta forma predijeron más de 11.000 familias de genes agrupados o próximos en el genoma. Y vieron que, de los más de 300 genomas de hongos analizados, un tercio de todos los genes formaba parte de un grupo conservado. 

“La selección hace que algunos genes estén cerca de otros por relevancia funcional. No es una organización fruto del azar, sino que ha sido seleccionada porque facilita la regulación. Y hemos visto que es bastante común y que afecta a una parte importante del genoma”, afirma Gabaldón. “La fuerza selectiva favorece las conformaciones de genes que permiten una inversión más pequeña de energía y una mejor regulación”, añade. 

En estudios anteriores con grupos de genes del metabolismo secundario, se había visto que, para activarse y desactivarse, estos disponían de una especie de interruptor, un factor de transcripción que los activaba o apagaba. También se había observado que estos grupos de genes pasaban de unas especies a otras en bloque, en transferencia horizontal, aunque se desconocía el mecanismo. 

En cambio, según han visto los investigadores del CRG, las observaciones en el metabolismo secundario no son representativas del genoma en su totalidad y la transferencia horizontal es menos común. Sin embargo, sí que observaron que un cluster formado por los mismos grupos de genes puede aparecer independientemente dos veces y de forma paralela en distintos linajes.  

Seguramente, los grupos de genes se encargan de desempeñar funciones específicas. “Cuando necesitas una cosa en un momento muy preciso, es cuando más necesitas que aquello esté co-regulado. Una función general, que está activa la mayor parte del tiempo, no necesita una regulación tan precisa”, explica Marina Marcet-Houben, primera autora del estudio. 

“Ahora tenemos una lista de funciones que explorar. Algunas pueden tener una posible utilidad farmacéutica o industrial. Los genes candidatos que hemos encontrado afectan a muchas especies distintas y hasta ahora no se habían descubierto. Muchos de ellos son genes interesantes y es muy probable que codifiquen funciones con algún potencial aplicado”, valora Gabaldón. 

Los genomas a partir de los cuales los científicos han desarrollado este trabajo pertenecen a bases de datos públicas. En este sentido, los investigadores del CRG también han hecho públicos sus resultados acerca de los grupos de genes primarios. “Queremos retornar a la comunidad científica el conocimiento que hemos generado gracias a la información y los datos que estaban en el dominio público”. 

Para más información:   Gloria Lligadas, Directora de Comunicación y Relaciones Públicas, Centro de Regulación Genómica (CRG) – gloria.lligadas@crg.eu – Tel. +34 933160153  

Referencia:   Marcet-Houben M and Gabaldón T. “Evolutionary and functional patterns of shared gene clusters in fungi”. Nature Microbiology, Set 16 2019. http://dx.doi.org/10.1038/s41564-019-0552-0

Información sobre la financiación de este estudio:  El grupo de Toni Gabaldón agradece el apoyo del Ministerio de Economía, Industria y Competitividad (MEIC) en el marco del EMBL Partnership y de las ayudas ‘Centro de Excelencia Severo Ochoa 2013-2017’ SEV-2012-0208, y BFU2015-67107, co-financiada con el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER); el programa CERCA / Generalitat de Catalunya; de la Agencia Catalana de Investigación (AGAUR) SGR857; y las ayudas ERC-2016-724173 y Marie Sklodowska-Curie Núm. H2020-MSCA-ITN-2014-642095, en el marco del programa Horizon 2020 de investigación e innovación de la Unión Europea. 


EN CATALÀ

Com un llibre d’instruccions, el genoma agrupa en regions properes els gens necessaris per a algunes funcions 

  • Investigadors del Centre de Regulació Genòmica (CRG), a Barcelona, esclareixen com el genoma organitza els grups de gens implicats en processos concrets, com la secreció de toxines. 
  • Han realitzat un estudi amb fongs i han identificat més d’11.000 famílies de gens agrupats o propers en el genoma. 
  • Els resultats de l’estudi es publiquen a Nature Microbiology.

Cadascuna de les cèl·lules d’un organisme viu conté una còpia completa de l’ADN, el llibre d’instruccions de la vida, que es troba molt compactat en els cromosomes. Cada cop que la cèl·lula vol realitzar una funció, ha d’activar determinats gens i, per fer-ho, ha d’obrir o desenrotllar regions de l’ADN i tancar-ne d’altres. Com si hagués de llegir unes instruccions de muntatge, li resulta més fàcil activar dos gens alhora si aquests estan a prop, en pàgines consecutives, que si ha d’anar canviant de manual o obrir-ne diversos alhora per completar una funció. 

Fins ara, el coneixement sobre com els genomes d’organismes eucariotes (organismes amb cèl·lules complexes amb nucli) organitzen aquests grups de gens, és a dir, com ubiquen els gens implicats en cada procés físicament propers, era molt limitat. Estudis previs s’havien centrat en alguns d’aquests clústers relacionats amb el metabolisme secundari, responsables de crear compostos com la penicil·lina i d’altres toxines amb propietats antibiòtiques. 

Ara, investigadors del Centre de Regulació Genòmica (CRG), a Barcelona, liderats pel professor d’investigació ICREA, Toni Gabaldón, actualment investigador de l’Institut de Recerca Biomèdica (IRB Barcelona) i el Barcelona Supercomputing Center-Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS), esclareixen aquest procés d’organització al metabolisme principal, en un estudi publicat a Nature Microbiology. Per fer-ho, s’han centrat en estudiar fongs, ja que tenen genomes més petits i fàcils de seqüenciar que els d’altres espècies eucariotes, com ara plantes i animals.

“Si tens els gens que necessites per a una funció situats a prop els uns dels altres en el cromosoma, es poden co-regular de manera més coordinada i eficaç, segons interessi”, explica Gabaldón. 

Els investigadors primer desenvoluparen un algoritme capaç d’identificar gens propers en genomes de distintes espècies seguint un criteri evolutiu, és a dir, observant si eren clústers conservats al llarg de l’evolució en distintes espècies de fongs, independentment de la funció que tenen. D’aquesta forma, van predir més d’11.000 famílies de gens agrupats o propers en el genoma. I van veure que, dels més de 300 genomes de fongs analitzats, un terç de tots els gens formava part d’un grup conservat. 

“La selecció fa que alguns gens estiguin a prop d’altres per rellevància funcional. No és una organització fruit de l’atzar, sinó que ha estat seleccionada perquè facilita la regulació. I hem vist que és bastant comú i que afecta a una part important del genoma”, afirma Gabaldón. “La força selectiva afavoreix les conformacions de gens que permeten una inversió més petita d’energia i una millor regulació”, afegeix. 

En estudis anteriors amb grups de gens del metabolisme secundari, s’havia vist que, per activar-se i desactivar-se, aquests gens disposaven d’una mena d’interruptor, un factor de transcripció que els activava o apagava. També s’havia observat que aquests grups de gens passaven d’unes espècies a d’altres en bloc, en transferència horitzontal, tot i que es desconeixia el mecanisme. 

En canvi, segons han vist els investigadors del CRG, les observacions en el metabolisme secundari no són representatives del genoma en la seva totalitat i la transferència horitzontal és menys comú. Tanmateix, sí que observaren que un clúster format pels mateixos grups de gens pot aparèixer independentment dues vegades i de manera paral·lela en distints llinatges. 

Segurament, els grups de gens s’encarreguen de desenvolupar funcions específiques. “Quan necessites una cosa en un moment molt precís, és quan més necessites que allò estigui co-regulat. Una funció general, que està activa la majoria del temps, no necessita una regulació tan precisa”, explica Marina Marcet-Houben, primera autora de l’estudi. 

“Ara tenim una llista de funcions que hem d’explorar. Algunes poden tenir una possible utilitat farmacèutica o industrial. Els gens candidats que hem trobat afecten a moltes espècies distintes i fins ara no s’havien descobert. Molts d’ells són gens interessants i és molt probable que codifiquin funcions amb algun potencial aplicat”, valora Gabaldón.  

Els genomes a partir dels quals els científics han desenvolupat aquest treball pertanyen a bases de dades públiques. En aquest sentit, els investigadors del CRG també han fet públics els seus resultats sobre els grups de gens primaris. “Volem retornar a la comunitat científica el coneixement que hem generat gràcies a la informació i les dades que estaven en el domini públic”. 

Per a més informació:  Gloria Lligadas, Cap de Comunicació i Relacions Públiques, Centre de Regulació Genòmica (CRG) – gloria.lligadas@crg.eu – Tel. +34 933160153  

Referència:   Marcet-Houben M and Gabaldón T. “Evolutionary and functional patterns of shared gene clusters in fungi”. Nature Microbiology, Set 16 2019. http://dx.doi.org/10.1038/s41564-019-0552-0

Informació sobre el finançament d’aquest estudi:  El grup de Toni Gabaldón agraeix el suport del Ministerio de Economía, Industria y Competitividad (MEIC) en el marc de l’EMBL Partnership i dels ajuts ‘Centro de Excelencia Severo Ochoa 2013-2017’ SEV-2012-0208, i BFU2015-67107, co-finançada amb el Fons Europeu de Desenvolupament Regional (FEDER); el programa CERCA / Generalitat de Catalunya; la Agència Catalana de Recerca (AGAUR) SGR857; i els ajuts ERC-2016-724173 i Marie Sklodowska-Curie Núm. H2020-MSCA-ITN-2014-642095, en el marc del programa Horizon 2020 de recerca i innovació de la Unió Europea.