Picture an event that changed everything. When did it begin and why? Historians might answer this question by delving into the past and studying photographs, letters and diaries. These first-hand accounts are crucial evidence which provide a raw and unfiltered view of events as they occur, helping reconstruct the past in order to explain and deal with challenges in the present.

What if we could do the same for cancer? By exploring the experiences of cells at the very starting point of cancer, we can better understand the behaviour of the disease, how it might spread, and how to best eradicate it. Delving into the history of cancer is critical for identifying the conditions which give rise to tumour-initiating cells, and, like finding the starting point of a wildfire, help put in measures to stop it from happening.

Like people, individual cells also keep a diary. Instead of paper, cells write on top of DNA, the blueprint of life, and instead of a pen, they use enzymes. Like an editor making changes on a manuscript, enzymes write or erase chemical tags known as DNA methylation marks. This is a fundamental biological process which can tune DNA’s activity.

Researchers can use these diary entries, also known as the DNA methylome, to get to know a cell’s personal history. With the ability to scan many different cells at once, researchers can identify the rare number of cells which might behave differently. These cells might be writing or erasing words in a different pattern, a behaviour that could correspond to diseases such as cancer.

However, the human body has trillions of cells, and any changing behaviour or pattern that is characteristic for the onset of a disease is like looking for a needle in a haystack. To detect this properly, we need technology able to read many cells simultaneously. But despite the DNA methylome being predicted as far back as 1948, efforts to study it at scale have remained out of reach. So, what’s holding the field back from contributing to a new age of medicine?

Dr. Renée Beekman, Group Leader at the Centre for Genomic Regulation, is an expert in epigenomics, a field which aims to understand DNA’s activity. In a perspective published recently in the journal Frontiers in Molecular Biosciences, Dr. Beekman and PhD students Leone Albinati and Agostina Bianchi outline the potential of the field in helping pinpoint the origin of cancer, and the obstacles researchers have to overcome to get there.

Millions of pages to decipher inside each cell

To read a cell’s diary, or its DNA methylome, researchers have to use a single-cell DNA methylation sequencing technology. This technique involves isolating individual cells, extracting DNA, and then using a method to determine the methylation status of the building blocks of DNA across the genome.

However, extracting the maximum amount of information possible using this technique is a huge technological feat. DNA is formed of different molecules or ‘letters’. Inside every human cell, there are 58 million instances of the letter C followed by the letter G – the majority of which are methylated. This is a huge volume of data to generate and process – and that’s just for one cell.

According to the Guinness World Records, Marcel Proust’s 13-volume A la recherche du temps perdu is the world’s longest novel. At 9.6 million letters long, we would need a novel six times bigger just to read CpG methylation. “To find meaningful patterns that inform the origin of cancer we need to chart many DNA methylation sites in thousands of cells. That is the scale of the task we’re up against,” says Agostina Bianchi, co-author of the paper.

While this sheer volume of data can be processed and stored correctly, it may be incomplete. This is because current methods can degrade DNA while reading it, leading to a loss of information for individual DNA methylation events as they are collected from the cell and transferred to an experiment and then a computer.

These technological limitations mean that historically, researchers have only been able to capture a random snapshot of a small set of DNA methylation sites in a few thousand cells. In other words, we can only randomly read parts of a cell’s diary, and even then we do not fully understand all the entries and miss out on meaningful information.

“We need to find ways of capturing the informative part of the diary in a systematic manner and interpret its nuanced entries before we can harness its full potential,” says Leone Albinati, co-author of the study.

Glimmers of hope

Despite the huge technological obstacles to overcome, scientists are making important progress in the field. Dr. Beekman has recently built a new tool that can chart DNA methylation patterns at scale. Alongside Dr. Lars Velten, also a Group Leader at the Centre for Genomic Regulation, her team developed scTAM-seq, a new method that can study subsets of DNA methylation sites of interest in up to 10,000 single cells at once, between 25 and 100 times more than what was previously possible.

“It works by focusing on the specific parts of DNA that are most likely to change, rather than trying to look at everything, making it an efficient and powerful strategy to look for rare types of cells, including those that may explain the origin of cancer,” says Dr. Beekman.

sc-TAM-seq is helping the field advance because it can study a lot of cells without being too expensive. As researchers around the world continue to develop similar tools, the field is expected to become even more efficient and cost-effective.
Other techniques that allow researchers to study the DNA methylome alongside other layers of information, such as RNA molecules, will provide an even deeper insight into what's happening inside a cell. “The transcriptome explains what a cell does at present. Combining this information with information from the past can reconstruct the history of how it got there. We want to be able to spot the ‘life-changing’ events which forever alter a cell, for example to trace how it turns into a cancer cell,” explains Dr. Beekman.

“Thirty years ago, we could not imagine creating a map of all the letters of the human DNA sequence, yet today it is a common good that is easily accessible to biomedical research. Right now we cannot imagine reading all the informative parts of the DNA methylome across thousands of single cells at once. However, technological innovations will bring us closer to this goal little by little,” concludes Dr. Beekman.

EN CASTELLANO

Cada cáncer tiene su historia de origen. El secreto se esconde en el 'diario' de cada célula

La metilación del ADN actúa como el diario personal de una célula. La lectura de esta información a gran escala puede impulsar la próxima generación de terapias avanzadas para enfermedades como el cáncer. Entonces, ¿por qué aún no hemos aprovechado esta mina de oro de información?

Imagínate un evento que lo cambió todo. ¿Cuándo comenzó y por qué? Los historiadores podrían responder a esta pregunta indagando en el pasado y estudiando fotografías, cartas y diarios. Estos relatos de primera mano son pruebas cruciales que proporcionan una visión sin filtros de los acontecimientos a medida que ocurren, ayudando a reconstruir el pasado para explicar y hacer frente a los desafíos del presente.

¿Y si pudiéramos hacer lo mismo con el cáncer? Al explorar las experiencias de las células en el punto de partida del cáncer, podemos comprender mejor el comportamiento de la enfermedad, cómo podría propagarse y cuál es la mejor manera de erradicarla. Profundizar en la historia del cáncer es fundamental para identificar las condiciones que dan lugar a las células iniciadoras de tumores y, al igual que encontrar el punto de partida de un incendio forestal, ayudar a poner en marcha medidas para evitar que ocurra.

Al igual que las personas, las células individuales también llevan un diario. En lugar de papel, las células escriben sobre el ADN, el manual de instrucciones de la vida, y en lugar de un bolígrafo, usan enzimas. Al igual que un editor que hace cambios en un manuscrito, las enzimas escriben o borran etiquetas químicas conocidas como marcas de metilación del ADN. Este es un proceso biológico fundamental que puede sintonizar la actividad del ADN.

La ciencia buscar usar estas entradas del diario, también conocidas como el ‘metiloma’ de ADN, para conocer la historia personal de una célula. Si escaneamos muchas células diferentes a la vez, se podría identificar las poblaciones de células que se comportan de manera diferente. Estas células podrían estar escribiendo o borrando palabras en un patrón diferente, un comportamiento que podría corresponder a enfermedades como el cáncer.

Sin embargo, el cuerpo humano tiene billones de células, y cualquier cambio de comportamiento o patrón que sea característico de la aparición de una enfermedad es como buscar una aguja en un pajar. Para detectarlo correctamente, necesitamos una tecnología capaz de leer muchas células simultáneamente. Pero a pesar de que el metiloma del ADN se predijo ya en 1948, los esfuerzos para estudiarlo a gran escala han permanecido fuera de nuestro alcance. Entonces, ¿qué es lo que impide que el campo contribuya a una nueva era de la medicina?

La Dra. Renée Beekman, jefa de grupo del Centro de Regulación Genómica, es experta en epigenómica, un campo que tiene como objetivo comprender la actividad del ADN. En una perspectiva publicada recientemente en la revista Frontiers in Molecular Biosciences, el Dr. Beekman y los estudiantes de doctorado Leone Albinati y Agostina Bianchi describen el potencial del campo para ayudar a identificar el origen del cáncer y los obstáculos que los investigadores tienen que superar para llegar allí.

Millones de páginas para descifrar dentro de cada celda

Para leer el diario de una célula, o su metiloma de ADN, los equipos científicos tienen que utilizar una tecnología de secuenciación de metilación del ADN de una sola célula. Esta técnica consiste en aislar células individuales, extraer ADN y luego usar un método para determinar el estado de metilación de los componentes básicos del ADN en todo el genoma.

Sin embargo, extraer la máxima cantidad de información posible con esta técnica es una gran hazaña tecnológica. El ADN está formado por diferentes moléculas o 'letras'. Dentro de cada célula humana, hay 58 millones de instancias de la letra C seguida de la letra G, la mayoría de las cuales están metiladas. Se trata de un gran volumen de datos para generar y procesar, y eso es solo para una célula.

Según el Libro Guinness de los Récords, ‘A la recherche du temps perdu’, de 13 volúmenes, de Marcel Proust, es la novela más larga del mundo. Con 9,6 millones de letras, necesitaríamos una novela seis veces más grande solo para leer la metilación de CpG. "Para encontrar patrones significativos que informen el origen del cáncer, necesitamos trazar muchos sitios de metilación del ADN en miles de células. Esa es la magnitud de la tarea a la que nos enfrentamos", dice Agostina Bianchi, coautora del artículo.

Si bien este gran volumen de datos se puede procesar y almacenar correctamente, puede estar incompleto. Esto se debe a que los métodos actuales pueden degradar el ADN mientras se lee, lo que lleva a una pérdida de información para los eventos individuales de metilación del ADN a medida que se recogen de la célula y se transfieren a un experimento y luego a una computadora.

Estas limitaciones tecnológicas significan que, históricamente, solo se ha podido capturar una instantánea aleatoria de un pequeño conjunto de sitios de metilación del ADN en unos pocos miles de células. En otras palabras, solo podemos leer al azar partes del diario de una célula, e incluso entonces no entendemos completamente todas las entradas y nos perdemos información significativa.

"Necesitamos encontrar formas de capturar la parte informativa del diario de una manera sistemática e interpretar sus entradas matizadas antes de que podamos aprovechar todo su potencial", dice Leone Albinati, coautor del estudio.

Destellos de esperanza

A pesar de los enormes obstáculos tecnológicos que hay que superar, existe un importante progreso en el campo. La Dra. Beekman ha creado recientemente una nueva herramienta que puede trazar patrones de metilación del ADN a escala. Junto con el Dr. Lars Velten, también jefe de grupo en el Centro de Regulación Genómica, su equipo desarrolló scTAM-seq, un nuevo método que puede estudiar subconjuntos de sitios de metilación del ADN de interés en hasta 10.000 células individuales a la vez, entre 25 y 100 veces más de lo que era posible anteriormente.

"Funciona centrándose en las partes específicas del ADN que tienen más probabilidades de cambiar, en lugar de tratar de mirar todo, lo que lo convierte en una estrategia eficiente y poderosa para buscar tipos raros de células, incluidas aquellas que pueden explicar el origen del cáncer", dice la Dra. Beekman.

sc-TAM-seq está ayudando a que el campo avance porque puede estudiar muchas células sin ser demasiado caro. A medida que equipos científicos por todo el mundo continúen desarrollando herramientas similares, se espera que el campo se vuelva aún más eficiente y rentable.

Otras técnicas que permiten el estudio del metiloma del ADN junto con otras capas de información, como las moléculas de ARN, proporcionarán una visión aún más profunda de lo que está sucediendo dentro de una célula. "El transcriptoma explica lo que hace una célula en la actualidad. La combinación de esta información con información del pasado puede reconstruir la historia de cómo llegó allí. Queremos ser capaces de detectar los eventos que 'cambian la vida' y que alteran para siempre una célula, por ejemplo, para rastrear cómo se convierte en una célula cancerosa", añade la Dra. Beekman.

"Hace treinta años, no podíamos imaginar la creación de un mapa de todas las letras de la secuencia de ADN humano, sin embargo, hoy en día es un bien común que es fácilmente accesible para la investigación biomédica. En este momento no podemos imaginar la lectura de todas las partes informativas del metiloma del ADN en miles de células individuales a la vez. Sin embargo, las innovaciones tecnológicas nos acercarán poco a poco a este objetivo", concluye.

EN CATALÀ

Cada càncer té la seva història d'origen. El secret s'amaga al 'diari' de cada cèl·lula

La metilació de l'ADN actua com el diari personal d'una cèl·lula. La lectura d'aquesta informació a gran escala pot impulsar la pròxima generació de teràpies avançades per a malalties com el càncer. Llavors, per què encara no hem aprofitat aquesta mina d'or d'informació?

Imagina’t un esdeveniment que ho va canviar tot. Quan va començar i per què? Els historiadors podrien respondre a aquesta pregunta indagant en el passat i estudiant fotografies, cartes i diaris. Aquests relats de primera mà són proves crucials que proporcionen una visió sense filtres dels esdeveniments a mesura que ocorren, ajudant a reconstruir el passat per explicar i fer front als desafiaments del present.

I si poguéssim fer el mateix amb el càncer? En explorar les experiències de les cèl·lules en el punt de partida del càncer, podem comprendre millor el comportament de la malaltia, com podria propagar-se i quina és la millor manera d'erradicar-la. Aprofundir en la història del càncer és fonamental per identificar les condicions que donen lloc a les cèl·lules iniciadores de tumors i, igual que trobar el punt de partida d'un incendi forestal, ajudar a posar en marxa mesures per evitar que passi.
Igual que les persones, les cèl·lules individuals també porten un diari. En lloc de paper, les cèl·lules escriuen sobre l'ADN, el manual d'instruccions de la vida, i en lloc d'un bolígraf, fan servir enzims. Igual que un editor que fa canvis en un manuscrit, els enzims escriuen o esborren etiquetes químiques conegudes com a marques de metilació de l'ADN. Aquest és un procés biològic fonamental que pot sintonitzar l'activitat de l'ADN.

La ciència buscarà aquestes entrades del diari, també conegudes com el 'metiloma' d'ADN, per conèixer la història personal d'una cèl·lula. Si escanegem moltes cèl·lules diferents alhora, es podria identificar les poblacions de cèl·lules que es comporten de manera diferent. Aquestes cèl·lules podrien estar escrivint o esborrant paraules en un patró diferent, un comportament que podria correspondre a malalties com el càncer.

No obstant això, el cos humà té bilions de cèl·lules, i qualsevol canvi de comportament o patró que sigui característic de l'aparició d'una malaltia és com buscar una agulla en un paller. Per detectar-ho correctament, necessitem una tecnologia capaç de llegir moltes cèl·lules simultàniament. Però tot i que el metiloma de l'ADN es va predir ja el 1948, els esforços per estudiar-lo a gran escala han romàs fora del nostre abast. Llavors, què és el que impedeix que el camp contribueixi a una nova era de la medicina?

La Dra. Renée Beekman, cap de grup del Centre de Regulació Genòmica, és experta en epigenòmica, un camp que té com a objectiu comprendre l'activitat de l'ADN. En una perspectiva publicada recentment a la revista Frontiers in Molecular Biosciences, la Dra. Beekman i els estudiants de doctorat Leone Albinati i Agostina Bianchi descriuen el potencial del camp per ajudar a identificar l'origen del càncer i els obstacles que els investigadors han de superar per arribar-hi.

Milions de pàgines per desxifrar dins de cada cel·la

Per llegir el diari d'una cèl·lula, o el seu metiloma d'ADN, els equips científics han d'utilitzar una tecnologia de seqüenciació de metilació de l'ADN d'una sola cèl·lula. Aquesta tècnica consisteix a aïllar cèl·lules individuals, extreure ADN i després usar un mètode per determinar l'estat de metilació dels components bàsics de l'ADN en tot el genoma.

No obstant això, extreure la màxima quantitat d'informació possible amb aquesta tècnica és una gran proesa tecnològica. L'ADN està format per diferents molècules o 'lletres'. Dins de cada cèl·lula humana, hi ha 58 milions d'instàncies de la lletra C seguida de la lletra G, la majoria de les quals estan metilades. Es tracta d'un gran volum de dades per generar i processar, i això és només per a una cèl·lula.

Segons el Llibre Guinness dels Rècords, 'A la recherche du temps perdu', de 13 volums, de Marcel Proust, és la novel·la més llarga del món. Amb 9,6 milions de lletres, necessitaríem una novel·la sis vegades més gran només per llegir la metilació de CpG. "Per trobar patrons significatius que informin l'origen del càncer, necessitem traçar molts llocs de metilació de l'ADN en milers de cèl·lules. Aquesta és la magnitud de la tasca a la qual ens enfrontem", diu Agostina Bianchi, coautora de l'article.

Si bé aquest gran volum de dades es pot processar i emmagatzemar correctament, pot estar incomplet. Això es deu a que els mètodes actuals poden degradar l'ADN mentre es llegeix, cosa que porta a una pèrdua d'informació per als esdeveniments individuals de metilació de l'ADN a mesura que es recullen de la cèl·lula i es transfereixen a un experiment i després a una computadora.

Aquestes limitacions tecnològiques signifiquen que, històricament, només s'ha pogut capturar una instantània aleatòria d'un petit conjunt de llocs de metilació de l'ADN en uns pocs milers de cèl·lules. En altres paraules, només podem llegir a l'atzar parts del diari d'una cèl·lula, i fins i tot llavors no entenem completament totes les entrades i ens perdem informació significativa.

"Necessitem trobar formes de capturar la part informativa del diari d'una manera sistemàtica i interpretar les seves entrades matisades abans que puguem aprofitar tot el seu potencial", diu Leone Albinati, coautor de l'estudi.

Una espurna d' esperança

Malgrat els enormes obstacles tecnològics que cal superar, hi ha un important progrés en el camp. La Dra. Beekman ha creat recentment una nova eina que pot traçar patrons de metilació de l'ADN a escala. Juntament amb el Dr. Lars Velten, també cap de grup al Centre de Regulació Genòmica, el seu equip va desenvolupar scTAM-seq, un nou mètode que pot estudiar subconjunts de llocs de metilació de l'ADN d'interès en fins a 10.000 cèl·lules individuals alhora, entre 25 i 100 vegades més del que era possible anteriorment.

"Funciona centrant-se en les parts específiques de l'ADN que tenen més probabilitats de canviar, en lloc de tractar de mirar tot, cosa que el converteix en una estratègia eficient i poderosa per buscar tipus rars de cèl·lules, incloses aquelles que poden explicar l'origen del càncer", diu la Dra. Beekman.

sc-TAM-seq està ajudant que el camp avanci perquè pot estudiar moltes cèl·lules sense ser gaire car. A mesura que equips científics arreu del món continuïn desenvolupant eines similars, s'espera que el camp es torni encara més eficient i rendible.

Altres tècniques que permeten l'estudi del metiloma de l'ADN juntament amb altres capes d'informació, com les molècules d'ARN, proporcionaran una visió encara més profunda del que està succeint dins d'una cèl·lula. "El transcriptoma explica el que fa una cèl·lula en l'actualitat. La combinació d'aquesta informació amb informació del passat pot reconstruir la història de com va arribar allà. Volem ser capaços de detectar els esdeveniments que 'canvien la vida' i que alteren per sempre una cèl·lula, per exemple, per rastrejar com es converteix en una cèl·lula cancerosa", afegeix la Dra. Beekman.

"Fa trenta anys, no podíem imaginar la creació d'un mapa de totes les lletres de la seqüència d'ADN humà, però, avui dia és un bé comú que és fàcilment accessible per a la recerca biomèdica. En aquest moment no podem imaginar la lectura de totes les parts informatives del metiloma de l'ADN en milers de cèl·lules individuals alhora. No obstant això, les innovacions tecnològiques ens acostaran a poc a poc a aquest objectiu", conclou.