Search

Sequencing technologies have recently evolved and generated large amounts of data. These datasets have had significant impacts in the cancer field and the detection of damage and repair mechanisms. Methodologies to analyze the data focus on rendering information from this data to improve our understanding of fundamental biological questions and related health and disease status. This thesis provides, first, advances in the computational methods to group cancer single-cell DNA sequencing data into tumor subclones. This progress allows current approaches to deal with thousands of cells and future-like datasets. In a second chapter, the thesis promotes our understanding of the detection of modifications through Nanopore sequencing. First, through the introduction of a novel ConvNet-based model, and secondly, through highlighting the limitations of detecting modifications when prior knowledge of the alteration is not available, and the proportion of them in the genome is low Les tècniques de seqüenciació han evolucionat recentment, generant d'aquesta manera un gran nombre de dades. Aquestes dades han tingut un impacte significatiu en camps de recerca com el càncer o en la detecció de dany i reparació del material genòmic. Les metodologies que utilitzen aquestes dades se centren principalment a obtenir informació per millor el nostre coneixement de qüestions biològiques fonamentals o de les diferències entre salut i malaltia. Aquesta tesi proporciona, en primer lloc, una millora dels mètodes computacionals per agrupar dades de DNA de cèl·lules singulars tumorals en els diferents súbclons que conformen el tumor. Aquest progrés permet una millora de les tecnologies per treballar amb milers de cèl·lules i dimensions de dades similars a les que vindran en un futur. En un segon capítol, la tesi doctoral present avança la nostra comprensió per detectar modificacions amb la tecnologia de seqüenciació nomenada Nanopore. Primerament, mitjançant la introducció d'un model nou basat en xarxes neurals de convolució (ConvNets), i seguidament, proporcionant una sèrie de limitacions per detectar modificacions quan no disposem d'informacio prèvia de l'alteració i la proporció de dany al genoma és baix

The rate at which mutations accumulate along the genome is not uniform but influenced by factors such as chromatin compactness, replication time or transcription. Most of these factors create mutational biases that encompass large areas of the genomes, including several megabases. In recent years, though, local mutational asymmetries spanning just a few base pairs have also been identified. This thesis focuses on the study of two of these local mutational asymmetries. First, we describe a reduction in the number of exonic somatic mutations caused by DNA polymerase mismatches, which we attribute to a higher efficacy of the mismatch repair mechanism in these locations. Second we study the UV induced DNA damage formation and repair at transcription factor binding sites and assess the relative contribution of these two factors to the unexpected number of mutations of these areas across transcription factors families. The presence of these local mutation rate variations illustrates the difficulty of properly modeling the mutation rate, an important procedure in many cancer genomics and evolutionary studies. La velocitat a la que les mutacions s’acumulen al llarg del genoma no és uniforme sinó que depèn de diversos factors. Alguns dels més coneguts són l’empaquetament de la cromatina, el moment de replicació o la transcripció. La majoria d’aquests factors creen variacions mutacionals que abarquen grans àrees del genoma, incloent varies megabases. En els últims anys, però, també s’ha identificat variabilitat en el ritme en que s’acumulen les mutacions a escala molt més petita, en regions de poques bases. Aquesta tesi es centra en l’estudi de dos d’aquestes variacions locals en el ritme en que les mutacions tenen lloc. Primer, hem descrit una reducció en el número de mutacions somàtiques en els exons causades per errors de la AND polimerasa, que hem atribuït a una major eficàcia del mecanisme encarregat aquest tipus d’errors en els exons. En segon lloc, hem estudiat com les lesions en el DNA causades per la llum ultraviolada es generen i són reparades als llocs d’unió dels factors de transcripció i hem determinat fins a quin punt cada un d’aquests processos permeten explicar l’inesperat número de mutacions en aquestes regions. La presència d’aquestes variacions locals la velocitat a la que les mutacions s’acumulen al llarg del genoma posen de manifest la dificultat de modelar correctament aquest procés, un procediment central en molts estudis evolutius i de genòmica del càncer.

Cancer is a disease of the genome. The study of tumor genomic alterations is used to guide several precision medicine strategies, some approved and a large number under clinical development. On the other hand, the study of tumor immunity is recently becoming the key for the success of other personalized strategies, named immunotherapies. Along this thesis I have made several contributions towards the advance of cancer precision medicine, based on the study of tumor “omics” data. First, I evinced the landscape of genomic-guided anti-cancer therapies. Second, I developed OncoPaD, a tool for the rational design of cost-effective cancer gene panels. Third, I contributed to the development of Cancer Genome Interpreter, a tool for the biological and therapeutic interpretation of variants found in newly sequenced tumors. Forth, I identified tumor intrinsic molecular mechanisms involved in tumor immune evasion. El càncer és una malaltia del genoma. L'estudi de les alteracions genòmiques dels tumors s’utilitza com a guia en varies estratègies de medicina de precisió, algunes d'elles aprovades i d'altres en assajos clínics. D'altra banda, l’estudi de la immunitat tumoral està esdevenint una peça clau per l’èxit d’altres estratègies terapèutiques, anomenades immunoteràpies. Al llarg d'aquesta tesi, mitjançant l'estudi de les dades “òmiques” tumorals, he contribuït de varies maneres cap a l'avenç de la medicina de precisió pel càncer. Primer, he identificat el panorama de les teràpies anticanceroses guiades per alteracions genòmiques. Segon, he desenvolupat OncoPaD, una eina pel disseny cost-efectiu i racional de panells de seqüenciació per càncer. A més, he contribuït al desenvolupament del Cancer Genome Interpreter, una eina que ajuda a la interpretació biològica i terapèutica de les variants presents a tumors novament seqüenciats. Per últim, he identificat diversos mecanismes mitjançant els quals els tumors són capaços d'evadir l’atac del sistema immunològic.

Given the complexity and heterogeneity of cancer, the development of new high-throughput wide-genome technologies has open new possibilities for its study. Several projects around the globe are exploiting these technologies for generating unprecedented amount of data for cancer genomes. Its analysis, integration and exploration are still a key challenge in the field. In this dissertation, we first present Gitools, a tool for accessing databases in biology, analysing high-throughput data, and visualising multi-dimensional results with interactive heatmaps. Then, we show IntOGen, the methodology employed for collection and organization of the data, the methods used for its analysis, and how the results and analysis were made available to other researchers. Finally, we compare several methods for impact prediction of non-synonymous mutations, showing that new tools specifically designed for cancer outperform those traditionally used for general diseases, and also the need for using other sources of information for better prediction of cancer mutations., Davant de la complexitat i heterogeneitat del cancer, el desenvolupament de noves tecnologies per l'estudi de genomes, ha obert noves posibilitats. Diversos projectes al voltant del mon les fan servir per generar quantitats de dades de genomes de cancer mai vistes abans. En aquest treball, primer presentem Gitools, una eina que permet obtenir dades de bases de dades en biologia, anal itzar dades genomiques, i visual itzar els resul tats multidimensionals mitjançant mapes de calor interactius. Després mostrem IntOGen, les metodologies per obtenir i organitzar les dades, els metodes per el seu analisi, i com es van possar a disposició d'altres investigadors. Finalment, comparem diversos metods de predicció de l'impacte de les mutacions no sinonimes, que ens mostra com nou metods desenvolupats per cancer funcionen millor que els utilitzats tradicionalment per enfermetats generals, aixis com la necesitat de recorrer a altres fonts d'informació per tenir millor prediccions per mutacions de cancer.

Cancer is a complex disease caused by somatic alterations of the genome and epigenome in tumor cells. Increased investments and cheaper access to various technologies have built momentum for the generation of cancer genomics data. The availability of such large datasets offers many new possibilities to gain insight into cancer molecular properties. Within this scope I present two methods that exploit the broad availability of cancer genomic data: OncodriveROLE, an approach to classify mutational cancer driver genes into activating and loss of function mode of actions and MutEx, a statistical measure to assess the trend of the somatic alterations in a set of genes to be mutually exclusive across tumor samples. Nevertheless, the unprecedented dimension of the available data raises new complications for its accessibility and exploration which we try to solve with new visualization solutions: i) Gitools interactive heatmaps with prepared large scale cancer genomics datasets ready to be explored, ii) jHeatmap, an interactive heatmap browser for the web capable of displaying multidimensional cancer genomics data and designed for its inclusion into web portals, and iii) SVGMap, a web server to project data onto customized SVG figures useful for mapping experimental measurements onto the model., El cancer és una malaltia complexa causada per alteracions somàtiques del genoma i epigenoma de les cèl•lules tumorals. Un augment d’inversions i l'accés a tecnologies de baix cost ha provocat un increment important en la generació de dades genòmiques de càncer. La disponibilitat d’aquestes dades ofereix noves possibilitats per entendre millor les propietats moleculars del càncer. En aquest àmbit, presento dos mètodes que aprofiten aquesta gran disponibilitat de dades genòmiques de càncer: OncodriveROLE, un procediment per a classificar gens “drivers” del càncer segons si el seu mode d’acció ésl'activació o la pèrdua de funció del producte gènic; i MutEx, un estadístic per a mesurar la tendència de les mutacions somàtiques a l’exclusió mútua. Tanmateix, la manca de precedents d’aquesta gran dimensió de dades fa sorgir nous problemes en quant a la seva accessibilitat i exploració, els quals intentem solventar amb noves eines de visualització: i) Heatmaps interactius de Gitools amb dades genòmiques de càncer a gran escala, a punt per ser explorades, ii) jHeatmap, un heatmap interactiu per la web capaç de mostrar dades genòmiques de cancer multidimensionals i dissenyat per la seva inclusió a portals web; i iii) SVGMap, un servidor web per traslladar dades en figures SVG customitzades, útil per a la transl•lació de mesures experimentals en un model visual.

El càncer ha estat tradicionalment considerat una malaltia fonamentalment genètica, però recentment s'està fent palès que la desregulació de mecanismes epigenètics contribueix en gran manera al desenvolupament tumoral. Al bell mig de la intersecció entre la genètica i l'epigenètica s'hi troben els factors reguladors de la cromatina (CRFs, en anglès), que són un focus important de recerca a causa de la seva potencial utilitat en teràpies contra el càncer. En aquesta tesi, determino l'estat transcriptòmic de cèl·lules normals i tumorals basant-me en informació epigenètica i regulatòria, i descric l'existència d'una sincronització global de l'expresió gènica en què la regulació controlada per Polycomb es manifesta com a un dels dos components principals. Presento una anàlisi sobre com la baixa expressió dels gens regulats per Polycomb contribueix a l'avenç del càncer de mama i a la transició entre epitel·li i mesènquima. A més, identifico aquesta baixa expressió com a factor valuós de pronòstic independent. Aprofitant les dades genòmiques de càncer que han estat posades a la disposició del públic recentment, també avaluo l'estat mutacional dels CRFs en molts tumors humans provinents de diferents teixits i línies cel·lulars de càncer. Els resultats indiquen que 39 CRFs són potencialment conductors del procès cancerígen en almenys un teixit, malgrat que molts d'ells es torben mutats en freqüències relativament baixes. Finalment, presento un recurs per a visualitzar i analitzar alteracions genòmiques entre línies cel·lulars de càncer en el context de la resistència a fàrmacs i de la informació sobre alteracions de, Cancer has traditionally been regarded as a genetic disease, but recently it is becoming apparent that the deregulation of epigenetic mechanisms greatly contributes to tumour development. At the crossing of genetics and epigenetics lie chromatin regulatory factors (CRFs), which are the focus of intense research due to their potential usefulness in anticancer therapy. In this thesis, I determine the transcriptomic state of normal and tumour cells based on epigenetic and regulatory information, and describe the existence of a global synchronisation of gene expression in which Polycomb regulation arises as one of the two main components. I present an analysis on how the under-expression of Polycomb regulated genes contributes to breast cancer progression and epithelial to mesenchymal transition. Furthermore, I identify this under-expression as a valuable independent prognostic factor. Taking advantage on the wealth of cancer genomics data made available recently, I also evaluate the mutational status of CRFs across many human tumours from different tissues and cancer cell lines, and find that 39 CRFs are potential cancer drivers in at least one tissue, even though most of them are mutated at relatively low frequencies. Finally, I present a resource to visualise and analyse genomic alterations across cancer cell lines in the context of drug sensitivity/resistance and the information on somatic tumour alterations.

Recent advances in high throughput technology have opened the door to systematic studies of epigenetic mechanisms. One of the key components in the regulation of the cell cycle and differentiation is the retinoblastoma protein (pRB), a component of the RB/E2F tumor suppressor pathway that is frequently deregulated in cancer. The RBP2/KDM5A histone demethylase was shown to interact with pRB and regulate pRB function during differentiation. However, how precisely differentiation is coupled with halted cell cycle progression and whether an epigenetic mechanism is involved remain unknown. In the present study, I analyzed gene expression levels of human histone methyltransferases (HMT) and demethylases (HDM), as well as their targets in human cancers; and focused on RB/KDM5A connection in control of cell cycle and differentiation. In particular, I used Drosophila as a model to describe a novel mechanism where the RB/E2F pathway interacts with the Hippo tumor suppressor pathway to synergistically control cell cycle exit upon differentiation. Studying the role of miR-11, I found that the inhibition of dE2F1-induced cell death is its highly specialized function. Furthermore, I studied the induction of differentiation and apoptosis as the consequences of KDM5A deletion in cells derived from Rb knockout mice. I concluded that during differentiation, KDM5A plays a critical role at the enhancers of cell type-specific genes and at the promoters of E2F targets; in cooperation with other repressor complexes, it silences cell cycle genes. I found that KDM5A binds to transcription start sites of the majority of genes with H3K4 methylation. These are highly expressed genes, involved in certain biological processes, and occupied by KDM5A in an isoform-specific manner. KDM5A plays a unique and non-redundant role in histone demethylation and its promoter binding pattern highly overlaps with the opposing enzyme, MLL1. Finally, I found that HMT and HDM enzymes exhibit a distinct co-expression pattern in different cancer types, and this determines the level of expression of their target genes., Los avances recientes en las tecnologías de alto flujo han abierto el camino a los estudios sistemáticos de los mecanismos epigenéticos. La proteína retinoblastoma (pRB), uno de los elementos de la ruta de supresión de tumores RB/E2F que se encuentra desregulado con frecuencia en el cáncer, es uno de los componentes esenciales de la regulación del ciclo celular y la diferenciación. Sin embargo, aún no se conoce de qué manera precisa la diferenciación se acopla a la detención del avance del ciclo celular y si hay algún mecanismo epigenético vinculado a este proceso. En este estudio, he analizado los niveles de expresión de histona metiltransferasas (HMT) y desmetilasas humanas (HDM), así como sus dianas en cánceres humanos, y me he centrado en la conexión de RB/KDM5A en el control del ciclo celular y la diferenciación. Específicamente, utilicé Drosophila como modelo para describir un mecanismo nuevo mediante el cual RB/E2F interactúa con la ruta Hippo de supresión de tumores para controlar de manera sinérgica la detención del ciclo celular relacionada con la diferenciación. Mediante la investigación del papel de miR-11, determiné que su función altamente especializada es la inhibición de la muerte celular inducida por dE2F1. Además, estudié la inducción de la diferenciación y la apoptosis como consecuencia de la pérdida de KDMA5 en células obtenidas a partir de ratones sin Rb. Extraje como conclusión que, durante la diferenciación, KDMA5 desempeña un papel esencial sobre los estimuladores de los genes específicos de los tipos celulares, así como en los promotores de las dianas de E2F; en cooperación con otros complejos represores silencia a los genes del ciclo celular. Investigué el mecanismo de reclutamiento de KDM5A y encontré que se une al sitio de inicio de la transcripción de la mayoría de los genes que poseen metilación en H3K4. Estos genes tienen elevados niveles de expresión, están involucrados en determinados procesos biológicos y están ocupados por diferentes isoformas de KDM5A. KDM5A desempeña un papel único y no redundante en la desmetilación de las histonas y que en gran medida se solapa con la enzima con la función opuesta, MLL1. Para terminar, encontré que las enzimas HMT y HDM muestran patrones de co-expresión distintos en diferentes tipos de cáncer, y que este hecho determina los niveles de expresión de sus genes diana.

In my thesis, I focused on integrative analysis of high-throughput oncogenomic data. This was done in two parts: In the first part, I describe IntOGen, an integrative data mining tool for the study of cancer. This system collates, annotates, pre-processes and analyzes large-scale data for transcriptomic, copy number aberration and mutational profiling of a large number of tumors in multiple cancer types. All oncogenomic data is annotated with ICD-O terms. We perform analysis at different levels of complexity: at the level of genes, at the level of modules, at the level of studies and finally combination of studies. The results are publicly available in a web service. I also present the Biomart interface of IntOGen for bulk download of data. In the final part, I propose a methodology based on sample-level enrichment analysis to identify patient subgroups from high-throughput profiling of tumors. I also apply this approach to a specific biological problem and characterize properties of worse prognosis tumor in multiple cancer types. This methodology can be used in the translational version of IntOGen.