You are here

    • You are here:
    • Home > Research > Unleashing splicing to understand biology and eventually tackle ‘untreatable’ diseases

Unleashing splicing to understand biology and eventually tackle ‘untreatable’ diseases

NewsNEWS

07
Jun
Wed, 07/06/2023 - 11:06

Unleashing splicing to understand biology and eventually tackle ‘untreatable’ diseases

Senior researchers David Gray and Angus Lamond (University of Dundee), Michael Sattler (Helmholtz Munich) and Juan Valcárcel (Centre for Genomic Regulation, Barcelona) pictured together. Credit: University of Dundee

 
Cells use editing tools to skip or rearrange information stored in DNA. Thanks to a 10-million-euro ERC Synergy Grant co-financed by ERC and UKRI, researchers have today launched a new project to study how this machinery can be controlled with molecular precision, which has the potential to revolutionize biomedical research and eventually treat human disease.
 

Imagine sitting down to watch a film for a second time, but the story takes a surprising turn, for example a new scene or a particular voiceover. You might realize that rather than the theatrical version you saw in the first place, this is a Director’s Cut. The movie producers have created not just one, but two versions of the same film, each with its own unique scenes and storyline.

The same thing is happening – at the molecular scale – inside every human cell. Cells are like eccentric filmmakers, using a process known as alternative splicing as their creative tool. Just how movie producers use an editing toolbar to rewind, speed up or cut a scene entirely, cells use their editing tools to swap, skip or include specific DNA segments in messenger RNA. This ability allows cells to alter gene expression, or create slightly different versions of a protein with unique functions.

Humans have roughly 20 thousand genes within our genomes, but thanks to alternative splicing, cells can make many more proteins than the number of genes. This expanded catalogue of proteins helps cells both adapt to changing environments and carry out more complex functions. It is thought that almost 95% of human genes undergo alternative splicing of some sort.

Knowledge of alternative splicing can be used to reveal new therapeutic targets and treat diseases that were previously considered incurable. For example, spinal muscular atrophy is one of the leading causes of infant mortality, a disease caused by mutations in a gene known as SMN1. People living with the condition have insufficient levels of the survival motor neuron protein, which leads to loss of motor neurons in the spinal cord and causes weakness and wasting of the skeletal muscles. The medication nusinersen – the first drug approved to treat the disorder, with life-saving effects – compensates for the loss of function of SMN by modulating alternative splicing of the closely-related SMN2 gene, functionally replacing the defective SMN1 gene.

Despite the emerging success of splicing-based therapies such as nusinersen, the mechanistic understanding of how small molecule drugs can modulate alternative splicing remains very limited. Small molecule drugs have distinct advantages as therapeutics as they can be administered orally and pass through cell membranes to reach the cell nucleus, where alternative splicing takes place. To accelerate the discovery of therapeutic targets for other diseases previously considered untreatable, researchers require new experimental tools and methods to study the underlying biological mechanisms involved.

This is the objective of UNLEASH, a new collaborative research project that begins operations today. Supported by a 10.2-million-euro Synergy Grant jointly funded by the European Research Council (ERC) and UK Research and Innovation (UKRI), the UNLEASH project aims to identify and develop new small molecules that can eventually function as drugs and control which types of alternative splicing events take place in cells. The project is expected to last for a period of six years. 

“Video editing tools will include hundreds of buttons, ranging from play, pause or fast forward to more advanced functions. Our first step is to uncover the equivalent of these functions available to cells, so that we know what they are capable of in the first place. The next step is figure out how to press the buttons so we can manipulate the editing tool for therapeutic purposes,” says ICREA Research Professor Juan Valcárcel, senior researcher at the Centre for Genomic Regulation and coordinator of the UNLEASH project. 

The project will combine the complementary expertise in the research groups of David Gray and Angus Lamond (University of Dundee), Michael Sattler (Helmholtz Munich) and Juan Valcárcel (Centre for Genomic Regulation, Barcelona), employing an interdisciplinary approach that combines chemical, structural, cellular, and systems biology methods, along with deep learning computational approaches. 

In the long term, the researchers will identify, develop and improve small molecules that can selectively alter alternative splicing events, characterizing compounds bound to splice site complexes, and testing mechanistic models of splice site selection. “With our project, we hope to to unleash the unique potential of small molecules as splicing modulators to develop orally available drugs for treating diseases with unmet medical need” says Michael Sattler, senior researcher at Helmholtz Munich.  The resulting data will be used to train neural networks to predict changes in alternative splicing patterns and the effects of small molecule modulators.

“While we might never know what drives the creative process behind a movie director’s vision, the same process within cells might be more of a tractable problem than we previously thought. If we solve this, it can open a whole new world of possibilities,” concludes Dr. Valcárcel.

EN CASTELLANO

Desplegar las herramientas de edición celulares para comprender la biología y, finalmente, abordar enfermedades "intratables"

Las células utilizan herramientas de edición para omitir o reorganizar la información almacenada en el ADN. Gracias a una ayuda ERC Synergy de 10 millones de euros cofinanciada por el ERC y UKRI, se ha puesto en marcha un consorcio de investigación para estudiar cómo se puede controlar esta maquinaria con precisión molecular, que tiene el potencial de revolucionar la investigación biomédica con el fin de tratar enfermedades humanas. 

 

Imagínese sentarse a ver una película por segunda vez, pero la historia toma un giro sorprendente, por ejemplo, una nueva escena o una voz en off en particular. Es posible que se dé cuenta de que en lugar de la versión original que vio la primera vez, este es un montaje del director. Los productores de la película han creado dos versiones de la misma película, cada una con sus propias escenas e historia únicas. 

Lo mismo está sucediendo, a escala molecular, dentro de cada célula humana. Las células son como cineastas excéntricos, utilizando un proceso conocido como alternative splicing – o el empalme alternativo – como su herramienta creativa. Al igual que los productores de películas usan una barra de herramientas de edición para rebobinar, acelerar o cortar una escena por completo, las células usan sus herramientas de edición para intercambiar, omitir o incluir segmentos específicos de ADN en el ARN mensajero. Esta capacidad permite a las células alterar la expresión génica o crear versiones ligeramente diferentes de una proteína con funciones únicas. 

Los humanos tenemos aproximadamente 20 mil genes dentro de nuestros genomas, pero gracias al empalme alternativo, las células pueden producir muchas más proteínas que el número de genes disponibles. Este catálogo ampliado de proteínas ayuda a las células a adaptarse a entornos cambiantes y a llevar a cabo funciones más complejas. Se cree que casi el 95% de los genes humanos experimentan algún tipo de empalme alternativo. 

El conocimiento del empalme alternativo se puede utilizar para revelar nuevas dianas terapéuticas y tratar enfermedades que antes se consideraban incurables. Por ejemplo, la atrofia muscular espinal es una de las principales causas de mortalidad infantil, una enfermedad causada por mutaciones en un gen conocido como SMN1. Las personas que viven con la afección tienen niveles insuficientes de la proteína de la neurona motora de supervivencia, lo que conduce a la pérdida de neuronas motoras en la médula espinal y causa debilidad y desgaste de los músculos esqueléticos. El medicamento nusinersen, el primer medicamento aprobado para tratar el trastorno, con efectos salvavidas, compensa la pérdida de función de SMN a través de la modulación del empalme alternativo del gen SMN2, que está estrechamente relacionado, reemplazando funcionalmente el gen SMN1 defectuoso. 

A pesar del éxito emergente de las terapias basadas en el splicing como el nusinersen, la comprensión mecanicista de cómo los fármacos pueden modular el empalme alternativo sigue siendo muy limitada. Los fármacos de moléculas pequeñas tienen claras ventajas terapéuticas, ya que pueden administrarse por vía oral y pasar a través de las membranas celulares para llegar al núcleo celular, donde se produce el empalme alternativo. Para acelerar el descubrimiento de dianas terapéuticas para otras enfermedades que antes se consideraban intratables, los equipos científicos requieren nuevas herramientas y métodos experimentales para estudiar los mecanismos biológicos subyacentes involucrados. 

Este es el objetivo de UNLEASH, un nuevo proyecto de investigación colaborativo que comenzó el 1 de junio de 2023. Con el apoyo de una ayuda Synergy de 10,2 millones de euros financiada conjuntamente por el Consejo Europeo de Investigación (ERC) y el UK Research and Innovation (UKRI), el proyecto UNLEASH tiene como objetivo identificar y desarrollar nuevas moléculas pequeñas que eventualmente puedan funcionar como fármacos y controlar qué tipos de eventos de empalme alternativos tienen lugar en las células. Se espera que el proyecto se desarrolle durante un período de seis años. 

"Las herramientas de edición de video incluirán cientos de botones, que van desde reproducir, pausar o avanzar rápidamente hasta funciones más avanzadas. Nuestro primer paso es descubrir el equivalente de estas funciones disponibles para las células, de modo que sepamos de qué son capaces en primer lugar. El siguiente paso es descubrir cómo presionar los botones para que podamos manipular la herramienta de edición con fines terapéuticos", afirma el profesor de investigación ICREA Juan Valcárcel, investigador principal del Centro de Regulación Genómica y coordinador del proyecto UNLEASH. 

El proyecto combinará la experiencia complementaria en los grupos de investigación de David Gray y Angus Lamond (Universidad de Dundee), Michael Sattler (Helmholtz Munich) y Juan Valcárcel (Centro de Regulación Genómica, Barcelona), empleando un enfoque interdisciplinario que combina métodos químicos, estructurales, celulares y de biología de sistemas, junto con enfoques computacionales de aprendizaje profundo. 

A largo plazo, los equipos de investigación identificarán, desarrollarán y mejorarán moléculas pequeñas que puedan alterar selectivamente eventos de empalme alternativos, caracterizando compuestos unidos a complejos de sitios de empalme y probando modelos mecanicistas de selección de sitios de empalme. "Con nuestro proyecto, esperamos liberar el potencial único de las moléculas pequeñas como moduladores de empalme para desarrollar medicamentos disponibles por vía oral para tratar enfermedades con necesidades médicas no cubiertas", dice Michael Sattler, investigador principal de Helmholtz Munich. Los datos resultantes se utilizarán para entrenar redes neuronales para predecir cambios en patrones de empalme alternativo y los efectos de los moduladores de moléculas pequeñas.

"Si bien es posible que nunca sepamos qué impulsa el proceso creativo detrás de la visión de un director de cine, el mismo proceso dentro de las células podría ser un problema más manejable de lo que pensábamos anteriormente. Si resolvemos esto, se puede abrir todo un nuevo mundo de posibilidades", concluye el Dr. Valcárcel. 

EN CATALÀ

Desplegar les eines d'edició cel·lulars per comprendre la biologia i, finalment, abordar malalties "intractables"

Les cèl·lules utilitzen eines d'edició per ometre o reorganitzar la informació emmagatzemada en l'ADN. Gràcies a una ajuda ERC Synergy de 10 milions d'euros cofinançada per l'ERC i UKRI es posa en marxa un nou projecte per estudiar com es pot controlar aquesta maquinària amb precisió molecular, que té el potencial de revolucionar la investigació biomèdica i, finalment, tractar malalties humanes. 

 

Imagini asseure's a veure una pel·lícula per segona vegada, però la història pren un gir sorprenent, per exemple, una nova escena o una veu en off en particular. És possible que s'adoni que en lloc de la versió teatral que va veure el primer cop, aquest és un muntatge del director. Els productors de la pel·lícula han creat no només una, sinó dues versions de la mateixa pel·lícula, cadascuna amb les seves pròpies escenes i història úniques. 

El mateix està succeint, a escala molecular, dins de cada cèl·lula humana. Les cèl·lules són com cineastes excèntrics, utilitzant un procés conegut com alternative splicing – o empalmament alternatiu – com a eina creativa. Igual que els productors de pel·lícules fan servir una barra d'eines d'edició per rebobinar, accelerar o tallar una escena per complet, les cèl·lules fan servir les seves eines d'edició per intercanviar, ometre segments específics d'ADN a l'ARN missatger. Aquesta capacitat permet a les cèl·lules alterar l'expressió gènica o crear versions lleugerament diferents d'una proteïna amb funcions úniques. 

Els humans tenim aproximadament 20 mil gens dins dels nostres genomes, però gràcies a l'empalmament alternatiu, les cèl·lules poden produir moltes més proteïnes que el nombre de gens. Aquest catàleg ampliat de proteïnes ajuda les cèl·lules a adaptar-se a entorns canviants i a dur a terme funcions més complexes. Es creu que gairebé el 95% dels gens humans experimenten algun tipus d'empalmament alternatiu. 

El coneixement de l'empalmament alternatiu es pot utilitzar per revelar noves dianes terapèutiques i tractar malalties que abans es consideraven incurables. Per exemple, l'atròfia muscular espinal és una de les principals causes de mortalitat infantil, una malaltia causada per mutacions en un gen conegut com a SMN1. Les persones que viuen amb l'afecció tenen nivells insuficients de la proteïna de la neurona motora de supervivència, cosa que condueix a la pèrdua de neurones motores a la medul·la espinal i causa debilitat i desgast dels músculs esquelètics. El medicament nusinersen, el primer medicament aprovat per tractar el trastorn, amb efectes salvavides, compensa la pèrdua de funció de SMN modulant l'empalmament alternatiu del gen SMN2 estretament relacionat, reemplaçant funcionalment el gen SMN1 defectuós. 

Malgrat l'èxit emergent de les teràpies basades en l’empalmament com el nusinersen, la comprensió mecanicista de com els fàrmacs poden modular l'empalmament alternatiu continua essent molt limitada. Els fàrmacs de molècules petites tenen clars avantatges terapèutics, ja que poden administrar-se per via oral i passar a través de les membranes cel·lulars per arribar al nucli cel·lular, on es produeix l'empalmament alternatiu. Per accelerar el descobriment de dianes terapèutiques per a altres malalties que abans es consideraven intractables, els equips científics requereixen noves eines i mètodes experimentals per estudiar els mecanismes biològics subjacents involucrats.

Aquest és l'objectiu d'UNLEASH, un nou projecte d'investigació col·laborativa que es va llançar el passat 1 de juny.  Amb el suport d'un ajut Synergy de 10,2 milions d'euros finançat conjuntament pel Consell Europeu de Recerca (ERC) i UK Research and Innovation (UKRI), el projecte UNLEASH té com a objectiu identificar i desenvolupar noves molècules petites que eventualment puguin funcionar com a fàrmacs i controlar quins tipus d'esdeveniments d'empalmament alternatius tenen lloc a les cèl·lules. S'espera que el projecte es desenvolupi durant un període de sis anys.

"Les eines d'edició de vídeo inclouran centenars de botons, que van des de reproduir, posar en pausa o avançar ràpidament fins a funcions més avançades. El nostre primer pas és descobrir l'equivalent d'aquestes funcions disponibles per a les cèl·lules, de manera que sapiguem de què són capaces en primer lloc. El següent pas és descobrir com pressionar els botons perquè puguem manipular l'eina d'edició amb finalitats terapèutiques", diu el professor d’investigació ICREA Juan Valcárcel, investigador principal del Centre de Regulació Genòmica i coordinador del projecte UNLEASH.

El projecte combinarà l'experiència complementària en els grups de recerca de David Gray i Angus Lamond (Universitat de Dundee), Michael Sattler (Helmholtz Munich) i Juan Valcárcel (Centre de Regulació Genòmica, Barcelona), emprant un enfocament interdisciplinari que combina mètodes químics, estructurals, cel·lulars i de biologia de sistemes, juntament amb enfocaments computacionals d'aprenentatge profund. 

A llarg termini, els equips de recerca identificaran, desenvoluparan i milloraran molècules petites que puguin alterar selectivament esdeveniments d'empalmament alternatiu, caracteritzant compostos units a complexos de llocs d'empalmament i provant models mecanicistes de selecció de llocs d'empalmament. "Amb el nostre projecte, esperem alliberar el potencial únic de les molècules petites com a moduladors d'empalmament per desenvolupar medicaments disponibles per via oral per tractar malalties amb necessitats mèdiques no cobertes", diu Michael Sattler, investigador principal de Helmholtz Munich.  Les dades resultants s'utilitzaran per entrenar xarxes neuronals per predir canvis en patrons d'empalmament alternatiu i els efectes dels moduladors de molècules petites. 

"Si bé és possible que mai sàpigues què impulsa el procés creatiu darrere de la visió d'un director de cinema, el mateix procés dins de les cèl·lules podria ser un problema més manejable del que havíem pensat anteriorment. Si resolem això, es pot obrir tot un nou món de possibilitats", conclou el Dr. Valcárcel.