Researchers at the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona have created the first blueprint of the human spliceosome, the most complex and intricate molecular machine inside every cell. The scientific feat, which took more than a decade to complete, is published today in the journal Science.

The spliceosome edits genetic messages transcribed from DNA, allowing cells to create different versions of a protein from a single gene. The vast majority of human genes – more than nine in ten – are edited by the spliceosome. Errors in the process are linked to a wide spectrum of diseases including most types of cancer, neurodegenerative conditions and genetic disorders.

The sheer number of components involved and the intricacy of its function has meant the spliceosome has remained elusive and uncharted territory in human biology – until now.

The blueprint reveals that individual components of the spliceosome are far more specialised than previously thought. Many of these components have not been considered for drug development before because their specialised functions were unknown. The discovery can unlock new treatments that are more effective and have fewer side effects.

“The layer of complexity we’ve uncovered is nothing short of astonishing. We used to conceptualise the spliceosome as a monotonous but important cut and paste machine. We now see it as a collection of many different flexible chisels that allow cells to sculpt genetic messages with a degree of precision worthy of marble sculpting grandmasters from antiquity. By knowing exactly what each part does, we can find completely new angles to tackle a wide spectrum of diseases,” says ICREA Research Professor Juan Valcárcel, lead author of the study and researcher at the CRG.

The most complex molecular machine in human biology

Every cell in the human body relies on precise instructions from DNA to function correctly. These instructions are transcribed into RNA, which then undergoes a crucial editing process called splicing. During splicing, non-coding segments of RNA are removed, and the remaining coding sequences are stitched together to form a template or recipe for protein production.

While humans have about 20,000 protein-coding genes, splicing allows the production of at least five times as many proteins, with some estimates suggesting humans can create more than 100,000 unique proteins.

The spliceosome is the collection of 150 different proteins and five small RNA molecules which orchestrate the editing process, but until now, the specific roles of its numerous components were not fully understood. The team at the CRG altered the expression of 305 spliceosome-related genes in human cancer cells one by one, observing the effects on splicing across the entire genome.

Their work revealed that different components of the spliceosome have unique regulatory functions. Crucially, they found that proteins within the spliceosome's core are not just idle support workers but instead have highly specialised jobs in determining how genetic messages are processed, and ultimately, influence the diversity of human proteins.

For example, one component selects which RNA segment is removed. Another component ensures cuts are made at the right place in the RNA sequence, while another one behaves like a chaperone or security guard, keeping other components from acting too prematurely and ruining the template before its finished.

The authors of the study compare their discovery to a busy post-production set in film or television, where genetic messages transcribed from DNA are assembled like raw footage.

“You have many dozens of editors going through the material and making rapid decisions on whether a scene makes the final cut. It’s an astonishing level of molecular specialisation at the scale of big Hollywood productions, but there’s an unexpected twist. Any one of the contributors can step in, take charge, and dictate the direction. Rather than the production falling apart, this dynamic results in a different version of the movie. It’s a surprising level of democratization we didn’t foresee,” says Dr. Malgorzata Rogalska, co-corresponding author of the study.

Cancer’s ‘Achilles’ Heel’ 

One of the most significant findings in the study is that the spliceosome is highly interconnected, where disrupting one component can have widespread ripple effects throughout the entire network.

For example, the study manipulated the spliceosome component SF3B1, which is known to be mutated in many cancers including melanoma, leukaemia and breast cancer. It is also a target for anti-cancer drugs, though the exact of mechanisms of action have been unclear – until now.

The study found that altering the expression of SF3B1 in cancer cells sets off a cascade of events that affected a third of the cell’s entire splicing network, causing a chain reaction of failures which overwhelm the cell's ability to fuel growth.

The finding is promising because traditional therapies, for example those targeting mutations in DNA, often cause cancer cells to become resistant. One of the ways cancers adapt is by rewiring their splicing machinery. Targeting splicing can push diseased cells past a tipping point that cannot be compensated for, leading to their self-destruction. 

“Cancer cells have so many alterations to the spliceosome that they are already at the limit of what’s biologically plausible. Their reliance on a highly interconnected splicing network is a potential Achilles' heel we can leverage to design new therapies, and our blueprint offers a way of discovering these vulnerabilities” says Dr. Valcárcel. 

“This pioneering research illuminates the complex interplay between components of the spliceosome, revealing insight into its mechanistic and regulatory functions. These findings not only advance our understanding of spliceosome function but also open potential opportunities to target RNA processing for therapeutic interventions in diseases associated with splicing dysregulation” says Dom Reynolds, CSO at Remix Therapeutics, a clinical stage biotechnology company in Massachusetts who collaborated with the CRG on the study. 

Bringing splicing treatments into the mainstream 

Apart from cancer, there are many other diseases caused by faulty RNA molecules produced by mistakes in splicing. With a detailed map of the spliceosome, which the authors of the study have made publicly-available, researchers can now help pinpoint exactly where the splicing errors are occurring in a patient's cells.

“We wanted this to be a valuable resource for the research community,” says Dr. Valcárcel. “Drugs correcting splicing errors have revolutionised the treatment of rare disorders like spinal muscular atrophy. This blueprint can extend that success to other diseases and bring these treatments into the mainstream,” he adds.

“Current splicing treatments are focused on rare diseases, but they are just the tip of the iceberg. We are moving into an era where we can address diseases at the transcriptional level, creating disease-modifying drugs rather than merely tackling symptoms. The blueprint we've developed paves the way for entirely new therapeutic approaches. It's only a matter of time,” concludes Dr. Rogalska.

EN CASTELLANO

El primer mapa del espliceosoma humano 

Un equipo del Centro de Regulación Genómica (CRG) en Barcelona detalla el primer mapa del espliceosoma humano, la máquina molecular más compleja e intrincada dentro de cada célula. Se ha tardado más de una década en completar esta hazaña científica, que se publica hoy en la revista Science.

El espliceosoma edita los mensajes genéticos transcritos del ADN, lo que permite que las células creen diferentes versiones de una proteína a partir de un solo gen. El espliceosoma edita la gran mayoría de los genes humanos –más de nueve de cada diez. Los errores en este proceso están relacionados con una amplia variedad de enfermedades, incluyendo la mayoría de los tipos de cáncer, las afecciones neurodegenerativas y los trastornos genéticos.

El gran número de elementos involucrados y la complejidad de su función ha implicado que el espliceosoma haya permanecido, hasta ahora, como un territorio inexplorado en la biología humana.

El plano revela que los componentes individuales del espliceosoma son mucho más especializados de lo que se creía. Muchos de estos componentes no se habían considerado para el desarrollo de fármacos porque se desconocían sus funciones especializadas. Este descubrimiento puede desbloquear nuevos tratamientos que sean más eficaces y con menos efectos secundarios.

“El nivel de complejidad que hemos descubierto es simplemente asombroso. Antes conceptualizábamos el espliceosoma como una máquina de cortar y pegar, monótona pero importante. Ahora lo vemos como un conjunto de diferentes cinceles que permiten a las células esculpir mensajes genéticos con un grado de precisión digno de los maestros escultores de mármol de la antigüedad,” comenta el Profesor de Investigación ICREA Juan Valcárcel, autor principal del estudio e investigador del CRG.

“Ahora que sabemos qué hace cada parte, podemos encontrar enfoques completamente nuevos para abordar una amplia variedad de enfermedades”, añade el Dr. Valcárcel.

La máquina molecular más compleja de la biología humana

Cada célula del cuerpo humano depende de instrucciones precisas del ADN para funcionar correctamente. Estas instrucciones se transcriben en el ARN, que luego pasa por un proceso crucial de edición llamado splicing, o empalme. El proceso elimina los segmentos no codificantes del ARN y las secuencias codificantes restantes se unen para formar una plantilla o receta para la producción de proteínas. 
 
Aunque los humanos tienen aproximadamente 20.000 genes codificadores de proteínas, el proceso de edición permite la producción de al menos cinco veces más proteínas, con algunas estimaciones que sugieren que los humanos pueden crear más de 100.000 proteínas únicas.
 
El espliceosoma es el conjunto de 150 proteínas diferentes y cinco pequeñas moléculas de ARN que orquestan el proceso de edición, pero hasta ahora, no se comprendía qué hacía cada componente individual. El equipo del CRG alteró la expresión de 305 genes relacionados con el espliceosoma en células cancerosas humanas una por una, observando los efectos sobre el empalme en todo el genoma.

Descubrieron que los diferentes componentes del espliceosoma tienen funciones regulatorias únicas. Las proteínas dentro del núcleo del espliceosoma no son personal auxiliar, sino que tienen un rol altamente especializado que determina cómo se procesan los mensajes genéticos y, en última instancia, influyen en la diversidad de proteínas humanas. 
Por ejemplo, un componente selecciona qué segmento del ARN se elimina. Otro componente asegura que los cortes se realicen en el lugar correcto en la secuencia del ARN, mientras que otro actúa como un acompañante o guardia de seguridad, manteniendo a otros componentes inactivos hasta que la plantilla esté lista.

“Tienes a muchas decenas de editores revisando el material y tomando decisiones rápidas sobre si una escena entra en el corte final. Es un nivel de especialización molecular asombroso, a la altura de grandes producciones de Hollywood, pero con un giro inesperado. Cualquiera de los colaboradores puede intervenir, tomar el control y dictar la dirección. Esta dinámica, en lugar de desbaratar la producción, genera una versión diferente de la película. Es un sorprendente nivel de democratización que no habíamos previsto”, afirma la Dra. Malgorzata Rogalska, coautora del estudio.

El ‘Talón de Aquiles’ del cáncer

Uno de los hallazgos más importantes del estudio es que el espliceosoma está altamente interconectado, lo que significa que la alteración de un componente puede tener efectos en cadena a lo largo de toda la red.

El estudio manipuló el componente SF3B1 del espliceosoma, que sabemos que está mutado en muchos tipos de cáncer, como el melanoma, la leucemia y el cáncer de mama. También es una diana terapéutica, aunque, hasta ahora, los mecanismos de acción exactos no estaban claros.

El estudio descubrió que alterar la expresión de SF3B1 en células cancerosas desencadena una serie de eventos que afecta a un tercio de toda la red de empalme de la célula, causando una reacción de fallos en cadena que sobrepasa la capacidad adaptiva de la célula.

El hallazgo es prometedor. Las terapias tradicionales, por ejemplo, aquellas que atacan mutaciones en el ADN, a menudo provocan que las células cancerosas se vuelvan resistentes. Uno de los mecanismos que usan los cánceres para adaptarse es la reconfiguración de su maquinaria de empalme. Atacar este proceso puede empujar a las células enfermas más allá de un punto de no retorno, llevándolas a la autodestrucción.

“Las células cancerosas tienen tantas alteraciones en el espliceosoma que ya están al límite de lo que es biológicamente plausible. Su dependencia de una red de empalme altamente interconectada es un posible talón de Aquiles que podemos aprovechar para diseñar nuevas terapias, y nuestro mapa ofrece una manera de descubrir estas vulnerabilidades”, comenta el Dr. Valcárcel.

“Esta investigación pionera ilumina la compleja interacción entre los componentes del espliceosoma, revelando una nueva perspectiva sobre sus funciones mecánicas y regulatorias. Estos hallazgos no solo avanzan nuestra comprensión del funcionamiento del espliceosoma, sino que también abren potenciales oportunidades para usar el procesamiento del ARN con fines terapéuticos en enfermedades asociadas a disfunciones del empalme”, señala Dom Reynolds, CSO de Remix Therapeutics, una empresa biotecnológica en fase clínica de Massachusetts que colaboró con el CRG en el estudio.

Impulsar el uso generalizado de una nueva clase de tratamientos

Además del cáncer, hay muchas otras enfermedades causadas por moléculas de ARN defectuosas producidas por errores en el empalme. Con un mapa detallado del espliceosoma, que los autores del estudio han puesto a disposición pública, la comunidad científica puede identificar exactamente dónde se producen los errores de empalme en las células de un paciente.

“Queríamos que esto fuera un recurso valioso para la comunidad investigadora”, comenta el Dr. Valcárcel. “Los fármacos que corrigen errores de empalme han revolucionado el tratamiento de trastornos raros como la atrofia muscular espinal. El mapa puede extender ese éxito a otras enfermedades y que estos tratamientos sean de uso generalizado”, añade.

“Los tratamientos actuales de empalme se centran en enfermedades raras, pero son solo la punta del iceberg. Nos estamos adentrando en una era en la que podemos abordar enfermedades a nivel de transcripción, creando fármacos que modifican la enfermedad directamente en lugar de atacar solo los síntomas. El mapa que hemos desarrollado allana el camino para enfoques terapéuticos completamente nuevos. Solo es cuestión de tiempo”, concluye la Dra. Rogalska.

EN CATALÀ

El primer mapa de l'espliceosoma humà 

Un equip del Centre de Regulació Genòmica (CRG) a Barcelona detalla el primer mapa de l'espliceosoma humà, la màquina molecular més complexa i intricada dins de cada cèl·lula. S’ha trigat més d'una dècada a completar aquesta fita científica, que es publica avui a la revista Science.

L'espliceosoma edita els missatges genètics transcrits de l'ADN, cosa que permet que les cèl·lules creïn diferents versions d'una proteïna a partir d'un sol gen. L'espliceosoma edita la gran majoria dels gens humans –més de nou de cada deu. Els errors en aquest procés estan relacionats amb una àmplia varietat de malalties, incloent-hi la majoria dels tipus de càncer, les afeccions neurodegeneratives i els trastorns genètics.

El gran nombre d'elements involucrats i la complexitat de la seva funció ha implicat que l'espliceosoma hagi estat, fins ara, un territori inexplorat en la biologia humana.

El pla revela que els components individuals de l'espliceosoma són molt més especialitzats del que es pensava. Molts d'aquests components no s'havien tingut en compte per al desenvolupament de fàrmacs perquè es desconeixien les seves funcions especialitzades. Aquest descobriment pot desbloquejar nous tractaments que siguin més eficaços i amb menys efectes secundaris.

"El nivell de complexitat que hem descobert és simplement sorprenent. Abans conceptualitzàvem l'espliceosoma com una màquina de tallar i enganxar, monòtona però important. Ara ho veiem com un conjunt de diferents cisells que permeten a les cèl·lules esculpir missatges genètics amb un grau de precisió digne dels mestres escultors de marbre de l'antiguitat," comenta el Professor d’Investigació ICREA Juan Valcárcel, autor principal de l'estudi i investigador del CRG.

"Ara que sabem què fa cada part, podem trobar enfocaments completament nous per abordar una àmplia varietat de malalties", afegeix el Dr. Valcárcel.

La màquina molecular més complexa de la biologia humana

Cada cèl·lula del cos humà depèn d'instruccions precises de l'ADN per funcionar correctament. Aquestes instruccions es transcriuen a l'ARN, que després passa per un procés crucial d'edició anomenat splicing, o empalmament. El procés elimina els segments de l'ARN que no codifiquen i les seqüències que codifiquen restants s'uneixen per formar una plantilla o recepta per a la producció de proteïnes.

Tot i que els humans tenen aproximadament 20.000 gens codificadors de proteïnes, el procés d'edició permet la producció d'almenys cinc vegades més proteïnes, amb algunes estimacions que suggereixen que els humans poden crear més de 100.000 proteïnes úniques.

L'espliceosoma és el conjunt de 150 proteïnes diferents i cinc petites molècules d'ARN que orquestren el procés d'edició, però fins ara, no es comprenia què feia cada component individual. L'equip del CRG va alterar l'expressió de 305 gens relacionats amb l'espliceosoma en cèl·lules canceroses humanes una per una, observant els efectes sobre l'empalmament en tot el genoma.

Van descobrir que els diferents components de l'espliceosoma tenen funcions reguladores úniques. Les proteïnes dins del nucli de l'espliceosoma no són personal auxiliar, sinó que tenen un rol altament especialitzat que determina com es processen els missatges genètics i, en última instància, influeixen en la diversitat de proteïnes humanes.

Per exemple, un component selecciona quin segment de l'ARN s'elimina. Un altre component assegura que els talls es realitzin en el lloc correcte en la seqüència de l'ARN, mentre que un altre actua com a acompanyant o guàrdia de seguretat, mantenint altres components inactius fins que la plantilla estigui llesta.

"Tens moltes desenes d'editors revisant el material i prenent decisions ràpides sobre si una escena entra en el tall final. És un nivell d'especialització molecular sorprenent, a l’alçada de grans produccions de Hollywood, però amb un gir inesperat. Qualsevol dels col·laboradors pot intervenir, prendre el control i dictar la direcció. Aquesta dinàmica, en lloc de fer que la producció s’esfondri, genera una versió diferent de la pel·lícula. És un nivell sorprenent de democratització que no havíem previst", afirma la Dra. Malgorzata Rogalska, coautora de l’estudi.

El 'Taló d’Aquil·les' del càncer 

Una de les troballes més importants de l'estudi és que l'espliceosoma està altament interconnectat, cosa que significa que l'alteració d'un component pot tenir efectes en cadena al llarg de tota la xarxa.

L'estudi va manipular el component SF3B1 de l'espliceosoma, que sabem que està mutat en molts tipus de càncer, com el melanoma, la leucèmia i el càncer de mama. També és una diana terapèutica, tot i que, fins  ara, els mecanismes d'acció exactes no estaven clars.

L'estudi va descobrir que alterar l'expressió de SF3B1 en cèl·lules canceroses desencadena una sèrie d'esdeveniments que afecta un terç de tota la xarxa d'empalmament de la cèl·lula, causant una reacció d’errors en cadena que sobrepassa la capacitat de la cèl·lula.

La troballa és prometedora. Les teràpies tradicionals, per exemple, aquelles que ataquen mutacions en l'ADN, sovint provoquen que les cèl·lules canceroses es tornin resistents. Un dels mecanismes que fan servir els càncers per adaptar-se és la reconfiguració de la seva maquinària d'empalmament. Atacar aquest procés pot empènyer les cèl·lules malaltes més enllà d'un punt de no retorn, duent-les a l'autodestrucció.

"Les cèl·lules canceroses tenen tantes alteracions en l'espliceosoma que ja estan al límit del que és biològicament plausible. La seva dependència d'una xarxa d'empalmament altament interconnectada és un possible taló d’Aquil·les que podem aprofitar per dissenyar noves teràpies, i el nostre mapa ofereix una manera de descobrir aquestes vulnerabilitats", comenta el Dr. Valcárcel.

"Aquesta investigació pionera il·lumina la complexa interacció entre els components de l'espliceosoma, revelant una nova perspectiva sobre les seves funcions mecàniques i reguladores. Aquestes troballes no només avancen la nostra comprensió del funcionament de l'espliceosoma, sinó que també obren oportunitats potencials per emprar el processament de l'ARN amb finalitats terapèutiques en malalties associades a disfuncions de l'empalmament", assenyala Dom Reynolds, CSO de Remix Therapeutics, una empresa biotecnològica en fase clínica de Massachusetts que col·laborà amb el CRG en l'estudi.

Impulsar l'ús generalitzat d'una nova classe de tractaments 

A més del càncer, hi ha moltes d’altres malalties causades per molècules d'ARN defectuoses produïdes per errors en l'empalmament. Amb un mapa detallat de l'espliceosoma, que els autors de l'estudi han posat a disposició pública, la comunitat científica pot identificar exactament on es produeixen els errors d'empalmament en les cèl·lules d'un pacient.

"Volíem que això fos un recurs valuós per a la comunitat investigadora", comenta el Dr. Valcárcel. "Els fàrmacs que corregeixen errors d'empalmament han revolucionat el tractament de trastorns rars com l'atròfia muscular espinal. El mapa pot estendre aquest èxit a d’altres malalties i que aquests tractaments siguin d’ús generalitzat", afegeix.

"Els tractaments actuals d'empalmament se centren en malalties rares, però són només la punta de l'iceberg. Ens estem endinsant en una era en la qual podem abordar malalties a nivell de transcripció, creant fàrmacs que modifiquen la malaltia directament en lloc d’atacar només els símptomes. El mapa que hem desenvolupat aplana el camí per a enfocaments terapèutics completament nous. Només és qüestió de temps", conclou la Dra. Rogalska.