You are here

    • You are here:
    • Home > tRNA biomarkers for cancer diagnosis and prognosis enabled by new method

tRNA biomarkers for cancer diagnosis and prognosis enabled by new method


Thu, 06/04/2023 - 17:04

tRNA biomarkers for cancer diagnosis and prognosis enabled by new method

Dr. Eva Novoa's research group at the Centre for Genomic Regulation (CRG).

  • Many diseases, including cancer, have specific modifications in their transfer RNA (tRNA) molecules, key components of protein synthesis. Researchers have developed a new method to measure tRNA abundances and their modifications in a simple, cost-effective manner, publishing their proof-of-concept findings in Nature Biotechnology
  • The method is a promising new method for diagnostic and prognostic purposes. It can detect diverse types of tRNA modifications in a non-invasive manner and with high sensitivity and specificity. Combined with artificial intelligence tools, the method can lead to earlier detection of diseases and improved patient outcomes. 
  • The method was developed by Dr. Eva Novoa’s research group at the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona. With funding from the AECC, the team is now using this method as a foundation to build a novel kit and platform that will be able to determine whether a biological sample is cancerous, and predict its malignancy in under 3 hours and for less than 50 euros per test. 



Ribonucleic acid (RNA) molecules are present in all living cells, with different types of RNA having different jobs. For example, messenger RNA is copied from DNA and carries instructions on how to make a protein. Transfer RNA (tRNA) links the mRNA sequence with its corresponding amino acid, ensuring that proteins are stitched together correctly as instructed by DNA.

Cells naturally modify RNA molecules in order to enhance their stability, structure and function. When this modification process goes wrong, it can have important consequences for human health and disease. In the case of tRNA, incorrect or missing modifications produce faulty or incomplete proteins, with the dysregulation of tRNA modifications being linked to various human diseases, including neurodegenerative diseases, metabolic diseases, and cancer.

tRNAs are “information-rich” molecules with huge potential for the diagnosis and prognosis of diseases, but so far haven’t been exploited for such purpose due to the lack of methods that can capture this information in a quantitative and cost-efficient manner. For example, some types of cancers are difficult to diagnose because their symptoms are non-specific and can be confused with other conditions. At the same time, certain tRNA modification profiles are only known to exist in specific cancer types and can serve as highly-specific biomarkers.

Being able to isolate tRNA molecules from blood samples and quantify their modifications can help diagnose cancers without the use of imaging tests or invasive biopsies. Furthermore, the type of tRNA modifications can change depending on the state of the disease, providing valuable information about the prognosis of the condition.

Current methods for measuring tRNA molecules typically involve techniques such as next-generation sequencing or mass spectrometry, however, these methods have limited use for diagnostic purposes because they are either unable to detect modifications, or they cannot identify at which location of the tRNA they are occurring at. 

Researchers at the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona have addressed this challenge by developing a new method that can measure both the abundance and modification of tRNA molecules in a single step. The method is called Nano-tRNAseq and is first described today in the journal Nature Biotechnology.

Nano-tRNAseq is based on nanopore sequencing, a technology that can directly sequence individual RNA molecules by passing them through a small pore. Each of the nucleotides that compose an RNA molecule has a slightly different size and shape, with a corresponding change in the electrical current that occurs as each nucleotide passes through the pore. Computer programs detect changes in the current to identify the sequence of the RNA molecules, including any modifications. As a proof of concept, the researchers used Nano-tRNAseq to accurately measure tRNA abundances and modifications in samples taken from yeast cells exposed to different environmental conditions.

The method has significant advantages over conventional techniques. “For the first time, we can study both tRNA abundance and tRNA modification profiles simultaneously. As a bonus, the method is rapid, cost-effective, high-throughput, and has single-molecule resolution. Previously, we relied on two separate methods that, together, are less informative, and it would take weeks and cost thousands of euros to obtain results. Nano-tRNAseq is a fraction of the cost, and we can have results within a couple of days, and in the near future, within a few hours” says Morghan Lucas, PhD candidate at the Centre for Genomic Regulation and first author of the study. 

The rapid data analysis enabled by the method is critical for clinical decision-making. Another advantage is that the nanopore sequencing machines required for the technique are small, lightweight and can be powered by a laptop or portable battery, making them easy to transport to remote locations and enable use in the field or the clinic.

The researchers note there are still some limitations to the new method, such as the inability to predict which tRNA modification is dysregulated in a given sample unless the precise modifications found in that tRNA have been previously identified using other experimental methods. “While tRNA modification profiles of lower eukaryotic species, such as yeast, are well characterized, this is not the case for humans. By using Nano-tRNAseq in parallel with other methods, we can describe the modification profiles of the complete set of human tRNAs and, in the future, use Nano-tRNAseq to identify which changes in tRNAs are associated with a given human disease,” adds Morghan Lucas.

The method was developed by Dr. Eva Novoa’s research group at the Centre for Genomic Regulation (CRG), with Morghan C. Lucas and Leszek P. Pryszcz as joint first authors of the study. Dr. Novoa plans on using the technology to further her research efforts funded by the Spanish Association Against Cancer (AECC).

“tRNA molecules can be cleaved into small but stable RNA fragments which circulate in blood plasma. These molecules are typically altered in cancer patients, and are hugely information-rich for diagnostic and prognostic purposes. Nano-tRNAseq is a proof-of-concept technology that paves the way for the development of a simple, cost-effective and highly-precise method that can quantify these molecules in a non-invasive manner. Our aim is to further develop this technology and combine it with artificial intelligence tools to determine the malignancy of a biological sample in less than 3 hours, and at a cost of no more than 50 euros per sample” says Dr. Eva Novoa, senior author of the study and researcher at the Centre for Genomic Regulation. 
The study was funded by the Spanish Ministry of Economy, Industry, and Competitiveness and a European Research Council Starting Grant. Collaborators include the Institute for Research in Biomedicine (IRB) in Barcelona and the CNRS-Université de Lorraine in Nancy, France.


Una nueva herramienta permite el uso de ARNt como biomarcadores para el diagnóstico y prognosis de enfermedades 

  • Las moléculas de ARN de transferencia (ARNt), componentes clave de la síntesis de proteínas, están sujetas a modificaciones específicas causadas por distintas enfermedades, incluido el cáncer. Un equipo científico ha desarrollado por primera vez un método para medir la abundancia y las modificaciones de ARNt de una manera sencilla y barata, publicando sus hallazgos de prueba de concepto en la revista Nature Biotechnology
  • El método propuesto tiene aplicaciones prometedoras para el diagnóstico y pronóstico de enfermedades. Su uso permite detectar diversos tipos de modificaciones del ARNt de forma no invasiva y con alta sensibilidad y especificidad. Combinado con herramientas de inteligencia artificial, el método puede mejorar la detección precoz de enfermedades y mejorar el tratamiento de los pacientes 
  • El método ha sido desarrollado por el grupo de investigación de la Dra. Eva Novoa en el Centro de Regulación Genómica (CRG) de Barcelona. Con financiación de la AECC, el equipo está utilizando el método como base para desarrollar un nuevo kit y una plataforma que podrán determinar si una muestra biológica es cancerosa y predecir su malignidad en menos de 3 horas y a un coste inferior a 50 euros por muestra 

Las moléculas de ácido ribonucleico (ARN) están presentes en todas las células vivas y existen distintos tipos de ARN, que tienen diferentes funciones. Por ejemplo, el ARN mensajero (ARNm) se copia a partir del ADN y lleva instrucciones sobre cómo hacer una proteína. El ARN de transferencia (ARNt) vincula la secuencia de ARNm con el aminoácido correspondiente, lo que garantiza que las proteínas se unan correctamente según las instrucciones del ADN. 

Las células modifican las moléculas de ARN de manera natural para mejorar su estabilidad, estructura y función. Cuando este proceso de modificación sale mal, puede tener consecuencias importantes para la salud y las enfermedades humanas. En el caso del ARNt, las modificaciones incorrectas producen proteínas defectuosas o incompletas, y la desregulación de las modificaciones del ARNt está asociado con varias enfermedades humanas, incluidas las enfermedades neurodegenerativas, las enfermedades metabólicas y el cáncer. 

Los ARNt son moléculas que contienen mucha información, con un enorme potencial para el diagnóstico y pronóstico de enfermedades. Hasta el momento no se han explotado para tal fin debido a la falta de métodos que puedan capturar esta información de manera cuantitativa y rentable. Por ejemplo, algunos tipos de cáncer son difíciles de diagnosticar porque sus síntomas no son específicos y pueden confundirse con otras afecciones. Al mismo tiempo, se sabe que existen ciertos perfiles de modificación de ARNt en algunos tipos de cáncer que pueden servir como biomarcadores altamente específicos. 

Ser capaz de aislar moléculas de ARNt de muestras de sangre y cuantificar sus modificaciones puede ayudar a diagnosticar cánceres evitan de de pruebas de imagen o biopsias invasivas. Además, el tipo de modificaciones del ARNt puede cambiar según el estado de la enfermedad, lo que proporciona información valiosa sobre el pronóstico de la misma. 
Los métodos actuales para medir moléculas de ARNt generalmente involucran técnicas como la secuenciación de última generación o la espectrometría de masas. Sin embargo, estos métodos presentan limitaciones para el diagnóstico porque no pueden detectar las modificaciones o no son capaces de identificar en qué punto de la molécula de ARNt están. 

Un equipo científico del Centro de Regulación Genómica (CRG) de Barcelona ha abordado este reto desarrollando un nuevo método que puede medir tanto la abundancia como las modificaciones de las moléculas de ARNt en un solo paso. El método se llama Nano-tRNAseq y se describe por primera vez hoy en la revista Nature Biotechnology. 

Nano-tRNAseq se basa en la secuenciación de nanoporos, una tecnología que puede secuenciar las moléculas de ARN directamente pasándolas a través de un pequeño poro. Cada uno de los nucleótidos que componen una molécula de ARN tiene un tamaño y una forma ligeramente diferente, que se refleja en un cambio en la corriente eléctrica que se genera cuando cada nucleótido pasa a través del poro. Los programas computacionales detectan cambios en esta corriente para identificar la secuencia de las moléculas de ARN, incluidas las modificaciones que puedan tener. Como prueba de concepto, los autores del estudio utilizaron Nano-tRNAseq para medir con precisión la abundancia y las modificaciones del ARNt en muestras tomadas de células de levadura expuestas a diferentes condiciones ambientales. 

El método tiene ventajas importantes. “Por primera vez, podemos estudiar la abundancia de ARNt y los perfiles de modificación de ARNt simultáneamente. Adicionalmente, el método es rápido, rentable, de alto rendimiento y tiene una resolución a nivel molecular. Antes dependíamos de dos métodos separados que son menos informativos y llevarían semanas y costarían miles de euros para obtener resultados. Nano-tRNAseq es mucho más económico, y podemos tener resultados en un par de días. En un futuro cercano, será en unas pocas horas”, afirma Morghan Lucas, estudiante de doctorado en el Centro de Regulación Genómica y primera autora del estudio. 

El rápido análisis de datos que permite este método es fundamental para la toma de decisiones clínicas. Otra ventaja es que las máquinas de secuenciación de nanoporos requeridas para usar Nano-tRNAseq son pequeñas, ligeras y pueden funcionar con un portátil o una batería externa, lo que las hace fáciles de transportar a ubicaciones remotas y permite su uso en el campo o en la clínica. 

El equipo científico señala que todavía existen algunas limitaciones en el nuevo método, como la incapacidad de predecir qué modificación del ARNt está desregulada en una muestra determinada, a menos que las modificaciones se hayan identificado previamente mediante otros métodos experimentales.  

“Si bien los perfiles de modificación de ARNt de especies eucariotas como la levadura están bien caracterizados, no es así en el caso de los humanos. Al usar Nano-tRNAseq en paralelo con otros métodos, podemos describir los perfiles de modificación del conjunto completo de ARNt en humanos y, en el futuro, usar Nano-tRNAseq para identificar qué cambios en los ARNt están asociados con una determinada enfermedad,” añade Morgan Lucas. 

El método fue desarrollado por el grupo de investigación de la Dra. Eva Novoa en el Centro de Regulación Genómica (CRG), con Morghan C. Lucas y Leszek P. Pryszcz como primeros co-autores del estudio. La Dra. Novoa usará la tecnología para hacer avanzar sus proyectos de investigación, financiados por la Asociación Española Contra el Cáncer (AECC).

“Las moléculas de ARNt se pueden dividir en fragmentos de ARN pequeños pero estables que circulan por el plasma sanguíneo. Estas moléculas suelen estar alteradas en pacientes con cáncer y contienen mucha información que se puede utilizar con fines diagnósticos y pronósticos. Nano-tRNAseq es una tecnología de prueba de concepto que allana el camino para el desarrollo de un método simple, barato y altamente preciso que puede cuantificar estas moléculas de manera no invasiva. Nuestro objetivo es seguir desarrollando esta tecnología y combinarla con herramientas de inteligencia artificial para determinar la malignidad de una muestra biológica en menos de 3 horas, y con un coste de no más de 50 euros por muestra”, afirma la Dra. Eva Novoa, autora principal del estudio e investigadora del Centro de Regulación Genómica.

El estudio fue financiado por el Ministerio de Economía, Industria y Competitividad de España y una ayuda ‘ERC Starting Grant’ del Consejo Europeo de Investigación. Los colaboradores incluyen el Instituto de Investigación Biomédica (IRB Barcelona) en Barcelona y el CNRS-Université de Lorraine en Nancy, Francia.


Una nova eina permet l'ús d'ARNt com a biomarcadors per al diagnòstic i la prognosi de malalties 

  • Les molècules d'ARN de transferència (ARNt), components clau de la síntesi de proteïnes, estan subjectes a modificacions específiques causades per diferents malalties, inclòs el càncer. Un equip científic ha desenvolupat per primera vegada un mètode per mesurar l'abundància i les modificacions d'ARNt d'una manera senzilla i barata, publicant les seves troballes de prova de concepte a la revista Nature Biotechnology 
  • El mètode proposat té aplicacions prometedores per al diagnòstic i el pronòstic de malalties. El seu ús permet detectar diversos tipus de modificacions de l'ARNt de manera no invasiva i amb alta sensibilitat i especificitat. Combinat amb eines d'intel·ligència artificial, el mètode pot millorar la detecció precoç de malalties i millorar el tractament dels pacients 
  • El mètode ha estat desenvolupat pel grup de recerca de la Dra. Eva Novoa al Centre de Regulació Genòmica (CRG), a Barcelona. Amb finançament de l'AECC, l'equip està utilitzant el mètode com a base per desenvolupar un nou kit i una plataforma que podran determinar si una mostra biològica és cancerosa i predir-ne la malignitat en menys de 3 hores, i a un cost inferior a 50 euros per mostra  

Les molècules d'àcid ribonucleic (ARN) són presents a totes les cèl·lules vives i hi ha diferents tipus d'ARN, que tenen diferents funcions. Per exemple, l'ARN missatger (ARNm) es copia a partir de l'ADN i transporta instruccions sobre com fer una proteïna. L'ARN de transferència (ARNt) vincula la seqüència d'ARNm amb l'aminoàcid corresponent, cosa que garanteix que les proteïnes s'uneixin correctament segons les instruccions de l'ADN.

Les cèl·lules modifiquen les molècules d'ARN de manera natural per millorar-ne l'estabilitat, l'estructura i la funció. Quan aquest procés de modificació surt malament, pot tenir conseqüències importants per a la salut i les malalties humanes. En el cas de l'ARNt, les modificacions incorrectes produeixen proteïnes defectuoses o incompletes i la desregulació de les modificacions de l'ARNt està associat amb diverses malalties humanes, incloses les malalties neurodegeneratives, les malalties metabòliques i el càncer.

Els ARNt són molècules que contenen molta informació, amb un enorme potencial per al diagnòstic i el pronòstic de malalties. Fins ara no s'han explotat amb aquesta finalitat a causa de la manca de mètodes que puguin capturar aquesta informació de manera quantitativa i rendible. Per exemple, alguns tipus de càncer són difícils de diagnosticar perquè els seus símptomes no són específics i es poden confondre amb altres afeccions. Alhora, se sap que hi ha certs perfils de modificació d'ARNt en alguns tipus de càncer que poden servir com a biomarcadors altament específics.

Ser capaç d'aïllar molècules de ARNt de mostres de sang i quantificar les seves modificacions pot ajudar a diagnosticar càncers sense emprar proves d'imatge o biòpsies invasives. A més, el tipus de modificacions de l'ARNt pot canviar segons l'estat de la malaltia, cosa que proporciona informació valuosa sobre el pronòstic de la malaltia.

Els mètodes actuals per mesurar molècules d'ARNt generalment involucren tècniques com ara la seqüenciació d'última generació o l'espectrometria de masses. No obstant això, aquests mètodes presenten limitacions per al diagnòstic perquè no poden detectar les modificacions o no són capaces d'identificar a quin punt de la molècula d'ARNt estan.

Un equip científic del Centre de Regulació Genòmica (CRG) a Barcelona ha abordat aquest repte desenvolupant un nou mètode que pot mesurar tant l’abundància com les modificacions de les molècules d’ARNt en un sol pas. El mètode es diu Nano-tRNAseq i es descriu per primera vegada avui a la revista Nature Biotechnology.

Nano-tRNAseq es basa en la seqüenciació de nanoporus, una tecnologia que pot seqüenciar les molècules d'ARN directament passant-les a través d'un petit porus. Cadascun dels nucleòtids que componen una molècula d'ARN té una mida i una forma lleugerament diferent, que es reflecteix en un canvi en el corrent elèctric que es genera quan cada nucleòtid passa a través del porus. Els programes computacionals detecten canvis en aquest corrent per identificar la seqüència de les molècules d'ARN, incloses les modificacions que puguin tenir. Com a prova de concepte, els autors de l'estudi van utilitzar Nano-tRNAseq per mesurar amb precisió l'abundància i les modificacions de l'ARNt en mostres preses de cèl·lules de llevat exposades a diferents condicions ambientals.

El mètode té avantatges importants. Per primera vegada, podem estudiar l'abundància d'ARNt i els perfils de modificació d'ARNt simultàniament. Addicionalment, el mètode és ràpid, rendible, d'alt rendiment i té una resolució molecular. Abans depeníem de dos mètodes separats que són menys informatius, trigarien setmanes i costarien milers d'euros per obtenir resultats. Nano-tRNAseq és molt més econòmic, i podem tenir resultats en un parell de dies. En un futur proper, serà en poques hores”, afirma Morghan Lucas, estudiant de doctorat al Centre de Regulació Genòmica i primera autora de l'estudi.

La ràpida anàlisi de dades que permet aquest mètode és fonamental per a la presa de decisions clíniques. Un altre avantatge és que les màquines de seqüenciació de nanoporus requerides per utilitzar Nano-tRNAseq són petites, lleugeres i poden funcionar amb un portàtil o una bateria externa, cosa que les fa fàcils de transportar a ubicacions remotes i permet el seu ús al camp o a la clínica.

L'equip científic assenyala que encara hi ha algunes limitacions en el nou mètode, com la incapacitat de predir quina modificació de l'ARNt està desregulada en una mostra determinada, tret que les modificacions s'hagin identificat prèviament mitjançant altres mètodes experimentals.

“Si bé els perfils de modificació d'ARNt d'espècies eucariotes com el llevat estan ben caracteritzats, no és així en el cas dels humans. En utilitzar Nano-tRNAseq en paral·lel amb altres mètodes, podem descriure els perfils de modificació del conjunt complet d'ARNt en humans i, en el futur, fer servir Nano-tRNAseq per identificar quins canvis en els ARNt estan associats amb una determinada malaltia,” afegeix Morgan Lucas.

El mètode va ser desenvolupat pel grup de recerca de la Dra. Eva Novoa al Centre de Regulació Genòmica (CRG), amb Morghan C. Lucas i Leszek P. Pryszcz com a primers coautors de l'estudi. La Dra. Novoa farà servir la tecnologia per fer avançar els seus projectes de recerca, finançats per l'Associació Espanyola Contra el Càncer (AECC).

Les molècules d'ARNt es poden dividir en fragments d'ARN petits però estables que circulen pel plasma sanguini. Aquestes molècules solen estar alterades en pacients amb càncer i contenen molta informació que es pot utilitzar amb fins diagnòstics i pronòstics. Nano-tRNAseq és una tecnologia de prova de concepte que aplana el camí per al desenvolupament d'un mètode simple, barat i altament precís que pot quantificar aquestes molècules de manera no invasiva. El nostre objectiu és continuar desenvolupant aquesta tecnologia i combinar-la amb eines d'intel·ligència artificial per determinar la malignitat d'una mostra biològica en menys de 3 hores i amb un cost de no més de 50 euros per mostra”, afirma la Dra. Eva Novoa, autora principal de l’estudi i investigadora del Centre de Regulació Genòmica.

L'estudi va ser finançat pel Ministeri d'Economia, Indústria i Competitivitat d'Espanya i una ajuda ERC Starting Grant del Consell Europeu de Recerca. Els col·laboradors inclouen l'Institut de Recerca Biomèdica (IRB Barcelona) a Barcelona i el CNRS-Université de Lorraine a Nancy, França.