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Publication
Identification of novel key factors of heart development using a systems biology approach
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
| 8.87 MB | Adobe PDF |
Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
Heart diseases are the leading cause of death worldwide. Although surgical interventions can
provide valuable options for treatment, current therapies in cardiovascular medicine only
delay disease progression. A main reason for this shortcoming is the limited regenerative
capacity of the adult human heart. In contrast to many other tissues and organs, the
mammalian heart has very limited regenerative capacity. However, it has been observed that
neonatal hearts in mice show remarkable capacity to regenerate lost functional muscle tissue,
a capacity that rapidly disappears after the first post-natal week. Therefore, the study of heart
development might give crucial cues for cardiac regenerative medicine. Heart development
or cardiogenesis is a highly complex process with many components that are finely tuned in a
precise manner across time and space. Regulation of gene expression plays an important role
in this process. To capture this level of regulation, technologies such as microarrays or next
generation sequencing provide powerful tools, as they enable the simultaneous measurement
of expression levels of thousands of coding and non-coding genes. Although, it is possible to
obtain the expression information of several thousand of genes, there is a clear lack of
platforms in which research can scan through this information to develop or generate
insightful biological questions in the field of heart study.
Hence, this doctoral research work has tried to provide different systems biology approaches
in order to offer new insights into gene expression events that occur mainly during heart
development. These approaches include: (i) the integration of more than 20 published
microarray studies related to cardiogenesis and the development of the HeartEXpress
database (http://heartexpress.sysbiolab.eu/) to provide an easy and public access to the
integrated data; (ii) the integrative analysis of a genome-wide study profiling coding and noncoding
genes during embryonic heart development in vivo; (iii) the assessment of transcription
factors and miRNAs previously associated to heart development; (iv) the integration and
prioritisation of miRNA-mRNA interactions to identify novel miRNAs, mRNAs or miRNAinteractions
with potential impact on cardiogenesis; (v) the development of a web-server
called HeartmiR (http://heartmir.sysbiolab.eu/), which enables independent query and
visualisation of miRNA-mRNA interactions obtained from the in vivo study; and (vi)
comparative analysis of in vivo and in vitro studies to obtain further insights into mRNA, miRNA and miRNA-mRNA interactions during embryonic stem cell differentiation and to clarify how
the in vitro experiment can be used as a faithful model to study embryonic heart formation.
The main contributions of this research work for the study in the heart field are:
1. The development of HeartEXpress, which is a database that integrates the expression
of more than 16400 genes and 130 experimental conditions in both human and mouse;
2. The development of HeartmiR, which is a database profiling the expression of 9211
mRNA and 386 microRNAs during the heart development period (from E10.5 to E19.5)
and additionally in adult and old murine heart tissue;
3. Identification of the potential of 165 miRNAs to be involved in heart development
using different methods of miRNA candidate prioritisation;
4. Identification of 102 miRNA and 214 putative novel miRNA-mRNA interactions
relevant for cardiac cell development in vivo and in vitro. Furthermore, from the top20
miRNA with most interactions, 12 of the miRNA (60%) had been already associated to
heart related events, indicating promising results for the remaining 8 miRNAs (40%)
In summary, I have developed, implemented and applied different systems biology
approaches to analyse both publicly available and new generated experimental data. As result,
I was able to identify potential novel coding and non-coding key factors important for
cardiogenesis that might be utilised as markers or targets in future cardiac regenerative
medicine strategies.
As doenças cardíacas são uma das principais causas de morte a nível mundial. Apesar das intervenções cirúrgicas serem uma opção de tratamento viável, as terapias atuais apenas conseguem atrasar a progressão da doença. A principal razão para esta insuficiência é a capacidade regenerativa limitada do coração humano adulto. Em contraste com muitos outros tecidos e órgãos, o coração do mamífero tem uma capacidade de regeneração muito limitada. No entanto, foi observado, em corações de ratinhos neonatais, que ainda existe a incrível capacidade de regenerar tecido cardíaco perdido, a qual desaparece rapidamente após a primeira semana depois do nascimento. Portanto, o estudo do desenvolvimento cardíaco poderá providenciar pistas cruciais para posteriormente aplicar à medicina regenerativa cardíaca. O desenvolvimento cardíaco, também designado por cardiogénese, é um processo altamente complexo que envolve vários intervenientes que são coordenados de uma forma precisa no espaço e no tempo. Para tornar possível a captura deste nível complexo de regulação, tecnologias como os microarrays e next generation sequencing são ferramentas poderosas que permitem a medição simultânea dos níveis de expressão de milhares de genes codificantes e não codificantes. No decorrer deste trabalho, diferentes métodos de biologia de sistemas foram implementados com o objetivo de fornecer um vislumbre da expressão genética que ocorre principalmente durante o desenvolvimento cardíaco. Como tal, foram realizadas: (i) a análise de mais de 20 estudos publicados de microarrays relacionados com o desenvolvimento cardíaco e, consequentemente, desenvolvida a ferramenta online HeartEXpress (http://heartexpress.sysbiolab.eu/) que permite o acesso público à base de dados tratados; (ii) a análise de um estudo do genoma que perfila os genes codificantes e não codificantes durante o desenvolvimento cardíaco embrionário in vivo; (iii) a análise de fatores de transcrição previamente associados com o desenvolvimento cardíaco; (iv) a apreciação de interações miRNA-mRNA para revelar novos miRNAs, mRNAs ou interações miRNA-mRNA que possam potencialmente ter um papel preponderante durante a cardiogénese; (v) o desenvolvimento de uma ferramenta online nomeada HeartmiR (http://heartmir.sysbiolab.eu/), que possibilita a consulta independente das interações obtidas no estudo do desenvolvimento cardíaco embrionário in vivo; e (vi) a análise comparativa de um estudo in vitro com o estudo in vivo para fornecer pistas adicionais sobre os miRNAs, mRNAs e interações miRNA-mRNA durante a diferenciação de células estaminais embrionárias e compreender como o modelo in vitro pode ser utilizado para o estudo do desenvolvimento do coração. As principais contribuições deste trabalho de investigação doutoral na área de estudo do coração são: 1. O desenvolvimento do HeartEXpress, sendo esta uma base de dados que integra a expressão de mais de 16400 genes e 130 condições experimentais tanto em humano como em ratinho; 2. O desenvolvimento do HeartmiR, que é uma base de dados que perfila a expressão de 9211 mRNA e 386 miRNAs durante o desenvolvimento cardíaco (de E10.5 a E19.5) e adicionalmente tecido cardíaco de ratinho em jovem adulto e velho; 3. Identificação de 165 miRNAs que podem estar potencialmente envolvidos no desenvolvimento cardíaco utilizando métodos de prioritização de candidatos; 4. Identificação de 102 miRNAs e 214 potenciais interações miRNA-mRNA relevantes para o desenvolvimento cardíaco celular in vivo e in vitro. Adicionalmente, dos top20 miRNAs com mais interações, 12 deles (60%) já foram associados a eventos cardíacos, indicando que os restantes 8 miRNAs (40%) serão promissores para investigações futuras. Os resultados demonstraram que os diferentes métodos de biologia de sistemas aplicados forneceram resultados interessantes de diferentes formas para estudos adicionais ao desenvolvimento cardíaco e, possivelmente, no futuro aplicar a estudos de medicina regenerativa. Para além dos mRNAs e miRNAs que vão ser apresentados neste trabalho e que já foram posteriormente associados ao desenvolvimento cardíaco de algum modo, muitos outros foram descobertos durante o decorrer deste trabalho com o potencial de serem inovadores na área da regeneração e desenvolvimento cardíaco. Por exemplo, a descoberta de genes co-expressos relacionados com desenvolvimento cardíaco poderão providenciar pistas sobre os padrões de expressão que ocorrem durante os eventos relacionados com o coração. Como é no caso de estudo do Isl1, um conhecido fator de transcrição cardíaco, que apresenta como padrão de co-expressão outros três conhecidos fatores ligados ao desenvolvimento cardíaco tais com o Gata3, Wnt2 e Wnt11. Apresenta ainda a co-expressão com outros genes que potencialmente poderão ser importantes no desenvolvimento cardíaco, nomeadamente três genes Riken (um codificante e dois não-codificantes longos). Em contrapartida, investigar interações miRNA-mRNA também é um passo importante, visto que o desenvolvimento cardíaco é um processo altamente regulado, sendo assim possível indiciar potenciais candidatos miRNAs que possam contribuir para o desenvolvimento cardíaco. Neste estudo foram descobertos 3 miRNAs candidatos no estudo in vivo (Let-7i, mir- 3472 e miR-490-3p) que apresentam um grande número de genes “alvo”, sendo indicados como potenciais reguladores do desenvolvimento cardíaco. Por último, a comparação dos estudos de microarrays in vitro e in vivo também foi um ponto importante, uma vez que forneceu informação fulcral sobre as semelhanças e disparidades entre estas duas distintas experiências laboratoriais, contribuindo para entender se o modelo in vitro será um paradigma apropriado para estudar o desenvolvimento cardíaco. Não obstante, os resultados revelaram ser encorajadores, visto terem sido encontradas interações miRNA-mRNA sobrepostas entre os dois estudos, contendo miRNAs que poderão ser promissores para validações experimentais futuras, como acontece, por exemplo, com o miR-608 que foi encontrado como diferencialmente expresso nos dois estudos – in vitro e in vivo – e tem como alvo seis genes que já foram previamente associados ao desenvolvimento cardíaco. Em suma, este trabalho utilizou diferentes metodologias da biologia de sistemas que permitiram utilizar e analisar informação publicamente disponível e dados laboratoriais que permitiram identificar potenciais fatores-chave codificantes e não-codificantes para a cardiogénese e, possivelmente, aplicar no futuro essa informação em validações laboratoriais e na medicina regenerativa.
As doenças cardíacas são uma das principais causas de morte a nível mundial. Apesar das intervenções cirúrgicas serem uma opção de tratamento viável, as terapias atuais apenas conseguem atrasar a progressão da doença. A principal razão para esta insuficiência é a capacidade regenerativa limitada do coração humano adulto. Em contraste com muitos outros tecidos e órgãos, o coração do mamífero tem uma capacidade de regeneração muito limitada. No entanto, foi observado, em corações de ratinhos neonatais, que ainda existe a incrível capacidade de regenerar tecido cardíaco perdido, a qual desaparece rapidamente após a primeira semana depois do nascimento. Portanto, o estudo do desenvolvimento cardíaco poderá providenciar pistas cruciais para posteriormente aplicar à medicina regenerativa cardíaca. O desenvolvimento cardíaco, também designado por cardiogénese, é um processo altamente complexo que envolve vários intervenientes que são coordenados de uma forma precisa no espaço e no tempo. Para tornar possível a captura deste nível complexo de regulação, tecnologias como os microarrays e next generation sequencing são ferramentas poderosas que permitem a medição simultânea dos níveis de expressão de milhares de genes codificantes e não codificantes. No decorrer deste trabalho, diferentes métodos de biologia de sistemas foram implementados com o objetivo de fornecer um vislumbre da expressão genética que ocorre principalmente durante o desenvolvimento cardíaco. Como tal, foram realizadas: (i) a análise de mais de 20 estudos publicados de microarrays relacionados com o desenvolvimento cardíaco e, consequentemente, desenvolvida a ferramenta online HeartEXpress (http://heartexpress.sysbiolab.eu/) que permite o acesso público à base de dados tratados; (ii) a análise de um estudo do genoma que perfila os genes codificantes e não codificantes durante o desenvolvimento cardíaco embrionário in vivo; (iii) a análise de fatores de transcrição previamente associados com o desenvolvimento cardíaco; (iv) a apreciação de interações miRNA-mRNA para revelar novos miRNAs, mRNAs ou interações miRNA-mRNA que possam potencialmente ter um papel preponderante durante a cardiogénese; (v) o desenvolvimento de uma ferramenta online nomeada HeartmiR (http://heartmir.sysbiolab.eu/), que possibilita a consulta independente das interações obtidas no estudo do desenvolvimento cardíaco embrionário in vivo; e (vi) a análise comparativa de um estudo in vitro com o estudo in vivo para fornecer pistas adicionais sobre os miRNAs, mRNAs e interações miRNA-mRNA durante a diferenciação de células estaminais embrionárias e compreender como o modelo in vitro pode ser utilizado para o estudo do desenvolvimento do coração. As principais contribuições deste trabalho de investigação doutoral na área de estudo do coração são: 1. O desenvolvimento do HeartEXpress, sendo esta uma base de dados que integra a expressão de mais de 16400 genes e 130 condições experimentais tanto em humano como em ratinho; 2. O desenvolvimento do HeartmiR, que é uma base de dados que perfila a expressão de 9211 mRNA e 386 miRNAs durante o desenvolvimento cardíaco (de E10.5 a E19.5) e adicionalmente tecido cardíaco de ratinho em jovem adulto e velho; 3. Identificação de 165 miRNAs que podem estar potencialmente envolvidos no desenvolvimento cardíaco utilizando métodos de prioritização de candidatos; 4. Identificação de 102 miRNAs e 214 potenciais interações miRNA-mRNA relevantes para o desenvolvimento cardíaco celular in vivo e in vitro. Adicionalmente, dos top20 miRNAs com mais interações, 12 deles (60%) já foram associados a eventos cardíacos, indicando que os restantes 8 miRNAs (40%) serão promissores para investigações futuras. Os resultados demonstraram que os diferentes métodos de biologia de sistemas aplicados forneceram resultados interessantes de diferentes formas para estudos adicionais ao desenvolvimento cardíaco e, possivelmente, no futuro aplicar a estudos de medicina regenerativa. Para além dos mRNAs e miRNAs que vão ser apresentados neste trabalho e que já foram posteriormente associados ao desenvolvimento cardíaco de algum modo, muitos outros foram descobertos durante o decorrer deste trabalho com o potencial de serem inovadores na área da regeneração e desenvolvimento cardíaco. Por exemplo, a descoberta de genes co-expressos relacionados com desenvolvimento cardíaco poderão providenciar pistas sobre os padrões de expressão que ocorrem durante os eventos relacionados com o coração. Como é no caso de estudo do Isl1, um conhecido fator de transcrição cardíaco, que apresenta como padrão de co-expressão outros três conhecidos fatores ligados ao desenvolvimento cardíaco tais com o Gata3, Wnt2 e Wnt11. Apresenta ainda a co-expressão com outros genes que potencialmente poderão ser importantes no desenvolvimento cardíaco, nomeadamente três genes Riken (um codificante e dois não-codificantes longos). Em contrapartida, investigar interações miRNA-mRNA também é um passo importante, visto que o desenvolvimento cardíaco é um processo altamente regulado, sendo assim possível indiciar potenciais candidatos miRNAs que possam contribuir para o desenvolvimento cardíaco. Neste estudo foram descobertos 3 miRNAs candidatos no estudo in vivo (Let-7i, mir- 3472 e miR-490-3p) que apresentam um grande número de genes “alvo”, sendo indicados como potenciais reguladores do desenvolvimento cardíaco. Por último, a comparação dos estudos de microarrays in vitro e in vivo também foi um ponto importante, uma vez que forneceu informação fulcral sobre as semelhanças e disparidades entre estas duas distintas experiências laboratoriais, contribuindo para entender se o modelo in vitro será um paradigma apropriado para estudar o desenvolvimento cardíaco. Não obstante, os resultados revelaram ser encorajadores, visto terem sido encontradas interações miRNA-mRNA sobrepostas entre os dois estudos, contendo miRNAs que poderão ser promissores para validações experimentais futuras, como acontece, por exemplo, com o miR-608 que foi encontrado como diferencialmente expresso nos dois estudos – in vitro e in vivo – e tem como alvo seis genes que já foram previamente associados ao desenvolvimento cardíaco. Em suma, este trabalho utilizou diferentes metodologias da biologia de sistemas que permitiram utilizar e analisar informação publicamente disponível e dados laboratoriais que permitiram identificar potenciais fatores-chave codificantes e não-codificantes para a cardiogénese e, possivelmente, aplicar no futuro essa informação em validações laboratoriais e na medicina regenerativa.
Description
Keywords
Systems biology Transcriptomics Gene regulation Heart development Molecular interactions