Systems biology, functional genomics and genomic processes

Article published in August 2017

DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2017.08.1

María Gómez Vicentefranqueira

Dpto. de Dinámica y Función del Genoma, Centro de Biología Molecular Severo Ochoa

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The explosion of the “omics” data in recent decades has led to the development of novel and powerful experimental and computational tools, as well as new views to approach the complexity of biological systems, including the study of our genome.

 

La biología de sistemas es una aproximación global al análisis de los procesos biológicos partiendo del concepto de que el todo es más que la suma de sus partes. Combina la pregunta biológica (el sistema de estudio) con el desarrollo de nuevas tecnologías (que permiten medir el comportamiento de componentes individuales del sistema) y complejos análisis computacionales (bioinformática avanzada para extraer información sobre las interacciones entre los elementos del sistema y con otros sistemas que generan la aparición de nuevas propiedades emergentes). Esta aproximación holística es conocida como “la nueva Biología” y se aplica al estudio de procesos biológicos tan distintos como pueden ser las interacciones entre los microorganismos de nuestro intestino o el cambio climático.

El genoma contiene las instrucciones estructurales y regulatorias necesarias para construir un organismo. Es un sistema complejo y, como tal, está compuesto por numerosos elementos que interaccionan entre sí. Por tanto, para entender el funcionamiento del genoma, es necesario estudiar no sólo el funcionamiento de sus componentes individuales (los genes), sino también las interacciones entre estos componentes. Esta aproximación sistémica al estudio del genoma se conoce como genómica funcional; es la utilización de datos genómicos para estudiar a escala global la función de los genes y de las proteínas, así como sus interacciones dinámicas, para intentar entender las complejas relaciones existentes entre genotipo y fenotipo. La vastedad de la información obtenida en los experimentos “high-throughput” (que permiten medir en paralelo los genes, las proteínas, la información epigenética, el posicionamiento de los nucleosomas, la localización de complejos proteicos en los cromosomas, etc., en distintas condiciones experimentales o ambientales), no sólo está incrementando nuestro conocimiento de los efectos del genoma de un organismo en su función, sino que tiene el potencial de impactar en el modo en el que en el futuro se traten las enfermedades genéticas humanas.

El genoma, además, es el sustrato común a los distintos procesos que decodifican, reparan y duplican la información contenida en él. El interés de nuestro laboratorio es precisamente entender las interacciones entre estos procesos cuya base es el genoma, así como entre las maquinarias moleculares que los llevan a cabo, ya que las interrelaciones entre las actividades metabólicas que ocurren en el genoma son las que lo modelan, con el consiguiente impacto en los procesos celulares. Por ejemplo, una de las líneas de investigación de nuestro grupo está enfocada al estudio de la respuesta celular a alteraciones en la arquitectura de la cromatina. Estas alteraciones en la estructura de la cromatina afectan a la velocidad a la que se desplazan las horquillas de replicación cuando duplican el genoma, pero también a la de las maquinaria de transcripción y, por tanto, también afectan al splicing génico, lo que genera variaciones en el transcriptoma y proteoma de estas células. Además, las alteraciones en la velocidad de translocación de las maquinarias de replicación y transcripción varían a lo largo del genoma, provocando conflictos entre ambos complejos macromoleculares e inestabilidad genómica.

La complejidad de los sistemas biológicos es inmensa, lo que hace que el camino para descifrarla sea muy difícil, pero también impredecible y fascinante. Por la misma razón, garantiza el descubrimiento.

 

 

 

Imagen MGomez

Figura. Joan Miró, serie Constelaciones. © Successió Miró.

 

Para más información sobre centros de investigación en Biología de Sistemas o Genómica Funcional:

1. http://www.cnb.csic.es/index.php/es/investigacion/departamentos-de-investigacion/biologia-de-sistemas
2. http://www.crg.eu/es/programme/programmes-groups/systems-biology
3. https://www.systemsbiology.org/
4. https://sysbio.med.harvard.edu/
5. http://www.bio.cam.ac.uk/research/genomics
6. http://www.moleculargenetics.utoronto.ca/functional-genomics-and-proteomics/
7. http://www.fgcz.ch/

 

 

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Interview

María Gómez Vicentefranqueira
Dpto. de Dinámica y Función del Genoma, Centro de Biología Molecular Severo Ochoa

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P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica? ¿Le influyó alguien de forma especial?

R.- Desde niña me fascinaba la naturaleza y la exquisita complejidad de los organismos, interés al que sin duda contribuyeron las enseñanzas de mi madre en los larguísimos veranos en la dehesa salmantina. En los últimos años de mis estudios de licenciatura en Biología en la Universidad de Salamanca recibimos algunas clases de científicos del CSIC que volvían a España después de su formación postdoctoral en EEUU y nos introdujeron por primera vez al mundo de la Biología Molecular. Aquella nueva manera de estudiar el funcionamiento celular fue una revelación y supe que quería dedicarme a la investigación. A lo largo de mi trayectoria profesional he tenido la suerte de encontrarme con científicos a los que he admirado tanto en lo laboral como en lo personal y que han influido muchísimo en mi manera de enfrentarme a la vida y a la ciencia. El primero y principal de ellos mi director de tesis doctoral y maestro, Paco Antequera, que me contagió irreversiblemente de curiosidad científica.

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional? ¿La repetiría en su totalidad?

R.- Como comentaba antes, mi trayectoria científica comenzó durante mis estudios de doctorado en el laboratorio de Paco Antequera, en el IMB, centro mixto del CSIC y la Universidad de Salamanca (actual IBFG), analizando los sitios genómicos por los que comienza la síntesis del DNA en distintos modelos eucariotas. En el año 2000 me marché a Londres con una beca europea, al Clinical Sciences Centre del MRC, donde estuve hasta mediados del año 2004 en el laboratorio de Neil Brockdorff, estudiando la influencia de factores epigenéticos en la replicación del DNA. Este período postdoctoral fue un segundo punto de inflexión en mi trayectoria científica, ya que coincidió con la explosión de la Epigenética y de los estudios de la organización espacial de los cromosomas en el núcleo, conceptos clave para entender la regulación genómica. Además me permitió aprehender el modo británico de hacer Ciencia, que sigo admirando y tratando de imitar: contestar preguntas interesantes. Volví a España en el verano de 2004, con un contrato Ramón y Cajal, lo que me permitió empezar mi laboratorio en el IMB. A finales del año 2010 me trasladé al CBM, en Madrid, como Científico Titular del CSIC. ¿Volvería a repetir? Claramente ahora soy otra persona y las circunstancias distintas, por lo que no podría repetir la misma trayectoria. Si la pregunta se refiere a si me arrepiento de alguna de las etapas pasadas la respuesta es NO; cada una de ellas fue muy interesante y todas en conjunto han sido fundamentales para llegar a donde estoy ahora.

P.- ¿Qué consejo daría a los que inician su carrera científica?

R.- A pesar de que es un camino difícil, creo que dedicarse a la Ciencia es una de las profesiones más interesantes a las que uno puede dedicarse. No es solo una profesión, es un modo de entender la vida y el mundo que nos rodea. Entender cómo funcionan los sistemas biológicos nos permitirá, a largo plazo, impactar sobre ellos de modo positivo y así retornar este conocimiento a mejorar nuestras condiciones de vida. A cualquiera que sienta esa motivación yo le animaría a que emprendiera una carrera científica. Sólo somos capaces de hacer realmente bien aquello en lo que nos involucramos personalmente y, siempre con la necesaria ayuda del factor suerte, hacer las cosas bien es garantía de éxito.

P.- ¿Podría describirnos brevemente en qué consiste su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia?

R.- El interés de nuestro laboratorio es entender la organización funcional de nuestro genoma de un modo integral. Dicho con otras palabras, queremos responder a la pregunta de cómo se coordinan entre sí los distintos procesos nucleares: la replicación del DNA, la transcripción génica, la reparación de los errores y la recombinación, en el contexto de un genoma altamente compactado en cromatina. El empaquetamiento en cromatina no solo protege al DNA de daños exógenos y endógenos, manteniendo así la integridad del genoma, sino que también regula la accesibilidad de las proteínas y complejos macromoleculares a sus dianas, por lo que es esencial para mantener los patrones de expresión génica que subyacen a la identidad celular. Por tanto, el desvelar el modo en el que las células regulan todas las transacciones genómicas manteniendo a la vez su estabilidad no sólo es uno de los grandes retos de la biología actual, sino que además es fundamental para futuras intervenciones terapéuticas en casos en los que la estructura de la cromatina está alterada, como ocurre durante el envejecimiento celular o en algunas enfermedades del desarrollo. Para abordar este problema de un modo integral, en el laboratorio combinamos aproximaciones genómicas, computacionales, de biología molecular y análisis en molécula única en distintos modelos eucarióticos, desde el parásito humano Leishmania major, a células primarias de ratón y humanas mutantes para distintos factores epigenéticos.

P.- ¿Cuál es su opinión sobre cómo está articulada la carrera científica en España?¿Qué camino queda por recorrer en Ciencia e Innovación en nuestro país?

R.- La carrera científica en España no está articulada de ninguna manera. Tras la defensa de la tesis doctoral, la mayoría de los jóvenes doctores no saben muy bien qué hacer con su recién estrenado título. Aquellos con vocación de continuar con la investigación en la academia, emprenden un período postdoctoral, normalmente en el extranjero, aunque cada vez más jóvenes científicos optan por integrarse en alguno de los excelentes grupos de investigación que hay en España. Pero un número elevado de nuevos doctores no quiere seguir la trayectoria académica. Haría falta un mayor acercamiento entre el mundo empresarial e industrial a los centros de investigación y universidades de modo que los primeros pudieran nutrirse y beneficiarse del talento científico y viceversa. De esta interacción bidireccional es de donde surge la verdadera innovación. Por otro lado, no hay ningún programa estatal estructurado a medio o largo plazo para atraer a los jóvenes científicos que han completado su formación en el extranjero y que, estando en su mejor momento de productividad y energía, desean retornar este conocimiento a su país. El reducido número de plazas ofertadas en los centros de investigación para la implantación de nuevas líneas de investigación, así como las limitadas condiciones económicas y recursos que se les ofrecen a estos jóvenes científicos para empezar su laboratorio, está haciendo que muchos de ellos busquen mejores opciones fuera de España. Del mismo modo, el sistema científico español no contempla otra figura que la de líder de grupo, lo que impide que investigadores con experiencia y talento que no tienen deseos de dirigir un equipo, sino de formar parte de uno, puedan tener un futuro reconocido como científicos profesionales. Empezando por la propia la comunidad científica y, por supuesto, siguiendo por nuestros gobernantes, tendríamos que estructurar una carrera científica a largo plazo y dotarla con un presupuesto continuado si realmente queremos que la Ciencia y la Innovación generen un retorno económico al país. Los precedentes existen, otros países de nuestro alrededor lo han conseguido.

 

Biography

María Gómez Vicentefranqueira
Dpto. de Dinámica y Función del Genoma, Centro de Biología Molecular Severo Ochoa
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María Gómez es Científico Titular del CSIC. Licenciada (1992) y doctora (1998) en Ciencias Biológicas por la Universidad de Salamanca, ha trabajado como Research Fellow en el Clinical Sciences Centre (MRC) en Londres (2000-2004) y como investigador Ramón y Cajal en el Instituto de Microbiología Bioquímica (CSIC/USAL) (2004-2009), antes de incorporarse al Centro de Biología Molecular Severo Ochoa (CSIC/UAM) como líder del grupo de Organización Funcional del Genoma en el año 2010. Es madre de dos niños. Su laboratorio investiga la interrelación entre la replicación del DNA, la transcripción génica y la estructura de la cromatina, utilizando aproximaciones genómicas, computacionales y análisis de alta resolución en moléculas individuales. Entre sus principales aportaciones destacan la primera demostración de que los sitios de iniciación de la replicación coinciden con los de la transcripción en células de mamíferos, la existencia de un nuevo mecanismo de iniciación de la replicación que implica la síntesis de pequeñas moléculas de DNA abortivas o el acoplamiento entre la elongación de la transcripción y la especificación del inicio de la replicación.

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