Alex Di Genova ● Profesor Asociado

Proyecto interno de la UOH de carácter multidisciplinario que busca crear mapas moleculares multiómicos de los cánceres prevalentes en la región, utilizando tecnologías de vanguardia y algoritmos avanzados.

El cáncer es la segunda causa de muerte en la población Chilena y se proyecta que en diez años será la primera causa de muerte en el país. A nivel regional, la región de O Higgins es la que presenta la mayor incidencia de muertes por cáncer. Actualmente, Chile invierte alrededor del 1% del PIB en atención y tratamiento del cáncer. Es indispensable y urgente comenzar a caracterizar molecularmente los cánceres prevalentes de la población Chilena pues esto permitirá integrar información que impactará las decisiones clínicas permitiendo la implementación de tratamientos específicos para los pacientes. El estudio genómico y molecular de sistemas biológicos complejos, como el desarrollo y progresión del cáncer, requieren del desarrollo de nuevos algoritmos y modelos teóricos para analizar e interpretar datos genómicos complejos (big- data). El principal objetivo del laboratorio de genómica computacional que instalaré en el instituto de ciencias de la ingeniería de la Universidad de O Higgins será desarrollar investigación de vanguardia entorno al diseño y aplicación de nuevos algoritmos y tecnologías ómicas para estudiar la arquitectura genómica de cánceres prevalentes de la población Chilena. La meta a largo plazo es trasladar estas tecnologías a la práctica clínica e impulsar la implementación de programas de medicina de precisión enfocados en el tratamiento y prevención del cáncer en nuestro país y región. Un segundo objetivo es impulsar y liderar investigación multidisciplinaria en temáticas de salud, agroindustria y minería, sectores críticos a desarrollar en la región de O'Higgins. Finalmente, el laboratorio de genómica computacional contribuirá a la formación de capital humano avanzado en áreas asociadas a la genómica, bioinformática y biología computacional.

The Chilean government recently launched the national cancer plan to increase survival rates and reduce cancer incidence, which is projected to become the first cause of death in the Chilean population. Only in 2020, more than 55,000 new cases of cancer were registered. Therefore, starting the molecular characterization of the prevalent cancers of the Chilean population is urgent since this can inform therapeutic decisions and thus promote more specific treatments for patients, positively impacting survival rates and prevention. Due to the constant improvement of sequencing technologies, cancer research increasingly relies on the interpretation and analysis of high-dimensional genomic data. Genomic cancer analysis has revealed that the mutation repertoire of tumors is vast and goes from single nucleotide variants to whole-genome duplications. Structural variants (SVs) and copy number alterations are significant drivers of cancer proliferation and represent the building blocks of complex mutational processes involving the rearrangement of large genomic regions. These complex genomic rearrangements have functional consequences (e.g., gene fusion formation, inactivation of tumor suppressor) and have been associated with lower survival and poor response to immunotherapy. The patterns of small somatic variants have been well studied and characterized in human cancers. However, the genetic architecture and functional consequences of complex genomic rearrangements, despite their clinical significance, still need to be explored due to algorithmic and technological limitations. Therefore, the aims of this proposal are first to develop novel computational tools to fully characterize the genetic architecture of complex genomic rearrangements and second to study their functional impact on tumor gene expression programs through the lens of a solid theoretical framework. Methodologically, the de novo assembly of genomes is the only approach that allows a complete and unbiased characterization of all genomic alterations. Recently, we developed WENGAN, a new algorithm for the ultrafast, accurate, and complete de novo reconstruction of human genomes combining short and long reads technologies. Initial validation of WENGAN for de novo reconstruction of cancer genomes enabled the discovery of a large degree of tumor genomic reorganization with thousands of SVs. The latter remains elusive when using alternative algorithms and technologies. Therefore, this experience represents a solid foundation for developing this proposal. We will work with the following specific objectives: 1) Develop efficient algorithms to reconstruct haplotype-resolved genomes; 2) combine haplotype-resolved genomes and variation graphs with building complete structural variant maps of tumors; 3) study the functional impact of complex SVs at the single-cell level; and 4) Infer from multi-omic data the tumor tasks (trade-offs) using the multi-task evolution theory. We have assembled a multidisciplinary network of national and international (France and Germany) experts in algorithms, sequencing technologies, and cancer genomics to develop these objectives. Additionally, we compromise the mentoring and training of undergraduate and magister students by offering thesis topics directly related to the proposal's goals. In summary, we propose an approach that integrates the development of new computational algorithms, a solid theoretical framework, and the generation of state-of-the-art multi-omic data to study the genetic architecture and functional impact of large-scale genomic rearrangements in a prevalent Chilean cancer. The project will deliver, in four years, the first haplotype-resolved Chilean genome, the first graph reference of Chilean individuals, and the first multi-omic characterization of a prevalent Chilean cancer.

Center for Mathematical Modeling.

Con la apertura de la mina El Teniente en 1905, Chile promovió la explotación a gran escala del cobre llamado "Gran Minería del Cobre". De ese momento a la fecha, se registran un total de 757 relaves minero, dentro de los cuales un 85% de ellos están abandonados o inactivos. Estos números posicionan a los relaves como un problema importante, siendo actualmente el pasivo ambiental de mayor impacto en nuestro país. En particular, el relave Cauquenes ubicado en la Región de O Higgins, es el relave de cobre más antiguo y de mayor dimensión, reservorio a la fecha del material depositado por El Teniente. Considerando el número, tamaño y dimensiones, sumado a la complejidad del escenario ambiental y las variables involucradas, el estudio de las comunidades microbianas que habitan los relaves mineros debe abordarse desde diferentes disciplinas. Por estos motivos, a través de la interconexión de las diversas capacidades de investigadores nacionales e internacionales, el presente proyecto busca sentar las bases para la creación de un Centro de Biología de Sistemas para el estudio de comunidades que habitan relaves mineros. A nivel de investigación. el Centro se enfocará en: i) Caracterizar la estructura de las comunidades extremófilas de los relaves. ii) Identificar y validar de los potenciales metabólicos de las comunidades y sus miembros. iii) Generar un registro y clasificación de información - Bases de datos y colección de cepas. iv) Desarrollo de biotecnología para aplicaciones en minería. En definitiva, con un fuerte compromiso regional, el proyecto contempla abordar por primera vez desde una perspectiva multidisciplinaria e integral, el estudio de comunidades de especies extremófilas presentes en el relave Cauquenes, sentando las bases para que el Centro de Biología de Sistemas pueda en el corto plazo, proyectarse como un espacio real para al estudio de microorganismos que habitan los relaves en Chile.

La región de O´Higgins, cuya principal actividad económica corresponde a la agricultura, está siendo severamente afectada por la sequía como consecuencia del cambio climático, generando impactos negativos para este sector productivo . Así, la búsqueda de especies y/o cultivares con mayor tolerancia al estrés hídrico es clave para diversificar l a matriz productiva de la región. El almendro es una opción viable para la región debido a su ampliamente reportada tolerancia al estrés hídrico, con gran éxito en el cultivo de esta especie en áreas con clima Mediterráneo, incluyendo Chile, por lo que la identificación de cultivares con mayor tolerancia a este estrés es de importancia. A nivel fisiológico, el principal efecto del estrés hídrico es el cierre estomático, con el objetivo de evitar una disminución drástica en el estado hídrico de la planta (p otencial hídrico, Ψ L ), esto disminuye la asimilación de carbono y por consiguiente la producción. Sin embargo, especies y cultivares han desarrollado distintas estrategias para responder frente al estrés hídrico, lo que se ha descrito a través de los compo rtamientos isohídricos y anisohídricos. En breve, especies/cultivares con comportamiento isohídrico se caracterizan por un rápido cierre estomático frente al estrés hídrico previniendo así caídas drásticas en Ψ L . Por el contrario, especies/cultivares aniso hídricos mantienen la apertura estomática durante el estrés, permitiendo una caída en Ψ L y, por lo tanto, sosteniendo la asimilación de carbono. En consecuencia, el comportamiento anisohídrico se asocia a mayores tasas fotosintéticas y eficiencia de uso de agua a pesar de la escasez hídrica. La caracterización e identificación de genotipos anisohídricos es importante para optimizar la búsqueda de nuevos cultivares a ser producidos en la región de O´Higgins, especialmente en el secano interior donde los efec tos del déficit hídrico son más severos. Como parte del desarrollo del proyecto Fondecyt de iniciación de la Dra. Alvarez, se han identificado y caracterizado a nivel fisiológico tres cultivares de almendro con comportamiento an/isohídricos contrastantes: Avijor, Isabelona y Soleta. Si bien el proyecto anteriormente descrito incluye el análisis transcripcional de algunos genes, que hipotéticamente tendrían un rol en la diferenciación entre ambos comportamientos, este análisis puntual no permitiría comprende r en profundidad los mecanismos moleculares y rutas que subyacen procesos adaptativos y respuestas a señales ambientales a nivel de genoma completo. Para ahondar en esto último, hemos planteado el siguiente objetivo general: “ Determinar las diferencias gen ómicas, epigenéticas y transcriptómicas que determinan el fenotipo anisohídrico e isohídrico entre distintos cultivares de almendro durante el estrés de déficit hídrico” hídrico”. Sin embargo, a la fecha solamente tres variedades de almendro han sido secuenciadas : Nonpareil, Texas y Lauranne. Si bien el genoma de esta especie es pequeño (~250Mb) su alto nivel de heterocigosidad dificulta su ensamble. Específicamente para esta especie, abordaremos la secuenciación del genoma con una estrategia híbrida que integra d atos de Oxford Nanopore (para secuencias largas) y MGI (lecturas cortas) y algoritmos desarrollados por el Dr. Di Genova que permitirán realizar construcciones a escala cromosómica para las tres variedades propuestas. Los genomas ensamblados permitirán det erminar variantes genéticas y patrones epigenéticos diferenciales entre los tres cultivares propuestos. Adicionalmente, secuenciaremos y analizaremos datos de expresión génica de las tres variedades enfrentadas a estrés hídrico, lo que nos permitirá estudi ar por primera vez el impacto funcional de variantes genéticas y epigenéticas asociados al estrés hídrico. En resumen, nuestro proyecto multidisciplinario generará el genoma de referencia y epigenoma para los tres cultivares: Avijor, Isabelona y Soleta. A dicionalmente, realizaremos un primer mapeo a nivel genómico, epigenético y de expresión de los mecanismos y programas moleculares durante el estrés hídrico de los tres cultivares de almendro.