Epigenetic and transcriptional variability in leukemia and normal blood cells: A computational exploration

• Autores: Simone Ecker
• Directores de la Tesis: Daniel Rico Rodríguez (dir. tes.), Alfonso Valencia Herrera (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2015
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Joaquín Dopazo Blázquez (presid.), Gonzalo Gómez López (secret.), Mario Fernández Fraga (voc.), Jose Ignacio Martin Subero (voc.), Ana María Rojas Mendoza (voc.)
• Materias:
  • Química
    • Bioquímica
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen
  • español

    En todos los sistemas biológicos están implicados procesos estocásticos. Hoy en día, se sabe que la variabilidad biológica es necesaria para controlar el comportamiento de un sistema multicelular en su conjunto, y para permitir la adaptación rápida a cambios en el ambiente. Se ha demostrado que la plasticidad fenotípica es clave en el funcionamiento del sistema inmunológico, pero que también está fuertemente asociada con enfermedades, especialmente cáncer. Hasta el momento, se han investigado principalmente factores genéticos en este contexto, y sólo pocos estudios se han centrado en la heterogeneidad a nivel epigenómico y transcriptómico.

    En el marco de dos consorcios internacionales, utilizamos los primeros conjuntos de datos de gran escala disponibles para explorar la variabilidad biológica. Desarrollamos nuevas estrategias analíticas que combinan diferentes métodos para medir la variabilidad con modelos estadísticos bien establecidos que nos permiten conseguir una cuantificación robusta de la heterogeneidad interindividual. Estudiamos la variabilidad en dos contextos biológicos distintos. Primero, cuantificamos la variabilidad transcripcional en grandes cohortes de pacientes con leucemia linfocítica crónica (LLC) y estudiamos las diferencias entre los dos subtipos principales de la enfermedad. Segundo, analizamos la variabilidad en la metilación del ADN y la expresión génica en monocitos, neutrófilos y células T obtenidos de 48 individuos sanos.

    Encontramos que el subtipo más agresivo de LLC muestra un aumento significativo de la heterogeneidad transcripcional interindividual. Los genes con una mayor variabilidad en la forma agresiva de la enfermedad están enriquecidos en funciones relacionadas con el ciclo celular, rutas de se¿nalización, diferenciación celular, y desarrollo. Estas observaciones indican una posible relación entre la heterogeneidad transcripcional y la progresión y agresividad de la enfermedad. El análisis de la variabilidad diferencial entre los tres tipos celulares más abundantes del sistema inmunológico humano mostró que los neutrófilos tienen mayor variabilidad tanto en sus perfiles de metilación del ADN como en los de expresión génica. Esto puede deberse a la función de los neutrófilos como las primeras células del sistema inmune que migran a sitios de inflamación, ya que la plasticidad epigenética y transcripcional son esenciales para permitir una respuesta rápida a cambios en el entorno.

    En conjunto, los resultados de este trabajo recalcan la importancia de la variabilidad epigenética y transcripcional en el sistema inmunológico humano tanto en condiciones sanas como enfermas, así como la necesidad del desarrollo de técnicas bien fundamentadas para analizar dicha variabilidad. Nuestros resultados proporcionan nuevos conocimientos sobre la plasticidad de las células del sistema inmune normales y con LLC, y a largo plazo, el estudio de la heterogeneidad a nivel epigenómico y transcriptómico habilitará el desarrollo de estrategias terapéuticas dirigidas a modular la variabilidad en enfermedades hematopoyéticas e inmunológicas.

  • English

    Stochastic processes are involved in every biological system. Nowadays it is well known that biological variability is necessary to reliably control the behavior of a multicellular system as a whole, and to enable a rapid adaptation to changes in the environment. Phenotypic plasticity has been demonstrated to be key in the functioning of the human immune system, but has also been strongly associated with human diseases, especially cancer. Until now, mainly genetic factors have been investigated in this context, and only few studies focused on heterogeneity at the epigenomic and transcriptomic level.

    Within the framework of two international genome consortia, we used the first available large-scale datasets to explore biological variability. To this aim, we developed new analytical approaches combining different methods to measure variability with well-established statistical models to achieve a robust quantification of interindividual heterogeneity. We studied variability at different levels in two distinct biological contexts. First, we quantified interindividual gene expression variation in two large cohorts of chronic lymphocytic leukemia (CLL) patients and studied differences between the two main subtypes of the disease. Second, we analyzed DNA methylation and gene expression variability across primary human monocytes, neutrophils, and T cells derived from 48 healthy individuals.

    We found that the more aggressive subtype of CLL shows significantly increased gene expression heterogeneity across patients. Genes with increased variability in the aggressive form of the disease are strongly enriched in functions related to the cell cycle and show furthermore significant associations with signaling, cell differentiation, and development. These observations indicate a possible relation between heterogeneous gene expression patterns and disease progression and aggressiveness. Analyzing differential variability across the three most abundant cell types of the human immune system, we found that neutrophils show increased variability in both their DNA methylation and gene expression patterns. We hypothesized that this is due to the neutrophils¿ function as the first responders in the immune system that migrate to sites of inflammation, as epigenetic and transcriptional plasticity are essential to enable rapid adaptation to new and changing environments.

    Taken together, the results of this work highlight the importance of epigenetic and transcriptional variability in the human immune system in health and disease, as well as the necessity of the development of well-founded techniques to analyze this variability. Our findings provide new insights into the plasticity of CLL and normal immune cells, and in the long run the study of heterogeneity at the epigenomic and transcriptomic level will empower the development of therapeutic strategies aiming to modulate variability in hematopoietic and immunological diseases.