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Role of coding and non-coding RNA in chronic myeloproliferative neoplasms from bioinformatics to translational research (omics4MPN)

Cariparo Eccellenza 2011-2012 (Biomedicine)

Project Coordinator: Dr. Stefania Bortoluzzi from the Computational Genomics Laboratory, University of Padua.

Description of the project

The aim of the project is the development and application of novel bioinformatic and statistical methods to analyze different sources of experimental data, produced with massive technologies, with a systems biology approach. The applicative focus is the characterization of the role of coding and non-coding RNAs on chronic myeloproliferative neoplasms (MPNs) using microarray and RNA-seq data. Main expected results of the whole project are: i) the discovery and characterization of selected small non-coding RNAs as novel markers associated with the MPNs pathogenesis and useful for prognostication; ii) the reconstruction of regulatory networks in MPN, using matched mRNA and miRNA data, to identify key mixed miRNA-TF circuits deserving functional characterization by targeted experiments.

Sommario divulgativo dei risultati ottenuti dopo il primo anno

Questo progetto di ricerca mira alla caratterizzazione del ruolo di RNA codificanti e non-codificanti nelle Neoplasie Mieloproliferative (MPN) attraverso lo sviluppo di metodi bioinformatici. Le MPN, che includono policitemia vera (PV), trombocitemia essenziale (ET), mielofibrosi primaria (PMF), si originano da una cellula staminale/progenitrice che ha acquisito crescita indipendente da citochine, e presenta proliferazione e apoptosi sregolate. PV e ET possono evolvere in mielofibrosi e tutte le MPN possono evolvere in leucemia acuta mieloide (AML). Le MPN sono patologie croniche, ma incurabili. Escludendo una minoranza di pazienti giovani sottoposti con successo a trapianto di cellule staminali, gli approcci terapeutici sono in larga parte palliativi. Diverse mutazioni genetiche nei pazienti sono note, ma il ruolo di ciascuna sull’origine e sull’evoluzione clonale e sulla progressione della malattia non è ancora chiara. Negli ultimi anni, si è compresa l’importanza delle dinamiche del trascrittoma, in termini cambiamenti qualitativi e quantitativi di RNA codificanti e non codificanti. In particolare gli RNA non codificanti, tra cui i microRNA regolatori chiave di molti processi biologici, si sono dimostrati essere promettenti marcatori di malattia, interessanti come bersagli di terapie innovative e per lo sviluppo agenti terapeutici non convenzionali. Per raggiungere questi obiettivi traslazionali è necessario comprendere più in dettaglio come i microRNA condizionano il comportamento cellulare, chiarendo i processi su cui essi agiscono, scoprendo le loro interazioni molecolari e i circuiti regolativi di cui fanno parte. Il progetto ha permesso di formare un gruppo di ricerca interdisciplinare, anche grazie al reclutamento di giovani ricercatori, e di potenziare l’infrastruttura computazionale per le analisi bioinformatiche. Importanti risultati preliminari testimoniano lo svolgimento positivo del progetto. In particolare, sono stati acquisiti e analizzati i dati d’espressione di geni e microRNA in pazienti con PMF e controlli sani. Sono stati identificati i geni e i miRNA differenzialmente espressi nei pazienti e sono state inferite le loro interazioni su scala genomica, arrivando a definirne alcune importanti per il differenziamento cellulare, che sono state studiate sperimentalmente. Sono stati sviluppati metodi innovativi per la ricostruzione, con un approccio di systems biology, di circuiti regolativi misti, coinvolgenti microRNA, fattori di trascrizione e geni bersaglio comuni, nonché per la definizione di reti regolative derivate dalle pathway. L’applicazione di questi metodi ha permesso recentemente di ottenere una visione più generale delle reti regolative sregolate in PMF, di inferire l’impatto dei miRNA sulle pathway e di estendere queste reti con una serie di circuiti regolativi misti. Mediante sequenziamento ultra-massivo dei piccoli RNA in PMF e controlli sani e estesa analisi bioinformatica eseguita mediante una pipeline appositamente sviluppata, abbiamo identificato variazioni qualitative e quantitative dei microRNA nella patologia, scoperto nuovi microRNA ed altri piccoli RNA simili ai microRNA. Esperimenti su coorti estese e indipendenti di pazienti hanno poi validato le variazioni di alcuni miRNA e di un moRNA nei pazienti con diverse forme di MPN rispetto ai controlli sani.