class: center, middle, inverse, title-slide .title[ # BiologĂa holĂstica de microorganismos ] .subtitle[ ## GenĂłmica, TranscriptĂłmica y proteĂłmica ] .author[ ### Sergio Paolo Barahona Padilla ] .institute[ ### DBT-735 Principios de Bioinformática ] .date[ ### 2024-05-22 ] --- # Book: Microbial Proteomics ``` ## Warning: package 'here' was built under R version 4.3.3 ``` ``` ## here() starts at G:/Mi unidad/RProjects/xaringan ``` <img src="omics0.png" width="900" /> Webpage: [Wiley Online Library](https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/0471973165.ch1) --- # Content 1. Introduction 2. Proteome in Perspective 3. Amalgamation of Tools for a Proteomic “Tool Box” 4. Relationship between Genome, Transcriptome, and Proteome 5. What have Model Organisms Contributed to our Understanding of Biological Systems? 6. Conclusion --- class: inverse, center, middle # 1. Introducction --- # 'Omes' <!-- Cada oma es un nivel funcional completo, un conjunto total de molĂ©culas con propiedades similares. Por ejemplo el genoma es la secuencia de ADN completo de una especie mientras que el transcriptoma y el proteoma es el perfil de ARNm y proteĂnas en cierto momento y tejido dados. Cada oma nos da informaciĂłn valiosa, x ejemplo el genoma nos dice le potencial, le transcriptoma nos dice los planes a fuguro y el proteoma nos dice lo que lo está ocurriendo. Y mientras subimos en el flujo de la informaciĂłn, la complejidad de cada oma aumenta porque su diversidad aumenta. Siempre el nĂşmero de ARNs diferentes que puede sintetizar un genoma será mucho mayor al nĂşmero de genes (e.g. splicing alternativo) y siempre el nĂşmero de proteĂnas diferentes será muy superior al nĂşmero de transcritos (e.g. por las modificaciones post-traduccionales) --> <img src="omics1.png" width="900" /> Reference: Virág et al. (2020) doi: [10.1007/s10337-019-03796-9](https://doi.org/10.1007/s10337-019-03796-9) --- # Classic relationships between omes <img src="omics26.png" width="700" /> Reference: Wasinger & Corthals (2002) doi: [10.1016/s1570-0232(02)00125-3](https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1570023202001253) --- # Actual relationships between 'omes' <!-- Sin embargo estos cuatro omas no son sistemas aislados sino que son como capas que interactĂşan de forma compleja entre sĂ. Por ejemplo, la prima columna de flechas azules es el flujo clásico de informaciĂłn (el conocido dogma) pero hay más direcciones de interacciĂłn. Ahora bien, todos sabemos la fĂłrmula clásica de la genĂ©tica cuantitativa de fenotipo es igual a genotipo más el ambiente pero no es tan simple. El ambiente es efectivamente capaz de influenciar la expresiĂłn gĂ©nica en cualquier nivel funcional, en cualquier oma, ya sea causando mutaciones o afectando la transcripciĂłn o la traducciĂłn. Ahora si a este conjunto de interacciones entre los cuatro omas le sumamos la perturbaciĂłn ambiental, esta suma es lo que finalmente determina el fenotipo. Esto cumple tanto para eucariotas como para bacterias. Nota: ÂżcĂłmo el metaboloma interacciona con el genoma? mediante epigenĂ©tica, daño y reparaciĂłn, y selecciĂłn sobre ciertas partes que están bajo presiĂłn --> <img src="omics2.png" width="900" /> Reference: Dunn et al. (2011) doi: [10.1039/B906712B](https://doi.org/10.1039/B906712B) --- # Network Across Multiple Omic Layers <!-- Hay una tendencia a no estudiar una sola Ăłmica, es decir una sola capa, sino en varias capas al mismo y ver cĂłmo se regulan unas a otras, enfoque que ahora es llamado trans-Ăłmica o llamada multi-Ăłmica, con el fin de entender mejor estas relaciones complejas y finalmente los procesos biolĂłgicos. --> <img src="omics3.png" width="900" /> Reference: Yugi et al. (2016) doi: [10.1016/j.tibtech.2015.12.013](http://dx.doi.org/10.1016/j.tibtech.2015.12.013) --- # Trans-omic analysis in *E. coli* <!-- . --> <img src="omics4.png" width="900" /> Image's reference: Yugi et al. (2016) doi: [10.1016/j.tibtech.2015.12.013](http://dx.doi.org/10.1016/j.tibtech.2015.12.013) Original paper: Ishii et al. (2007) doi: [10.1126/science.1132067](http://dx.doi.org/10.1126/science.1132067) --- # Trans-omic analysis in *B. subtilis* <!-- . --> <img src="omics5.png" width="900" /> Image's reference: Yugi et al. (2016) doi: [10.1016/j.tibtech.2015.12.013](http://dx.doi.org/10.1016/j.tibtech.2015.12.013) Original paper: Buescher et al. (2012) doi: [10.1126/science.1206871](http://dx.doi.org/10.1126/science.1206871) --- # 'Omes' + environment = phenotype <!-- . --> <img src="omics6.png" width="500" /> Reference: Yugi et al. (2016) doi: [10.1016/j.tibtech.2015.12.013](http://dx.doi.org/10.1016/j.tibtech.2015.12.013) --- # Genomics alone is not enough <!-- Varias funciones celulares son orquestadas por redes globales que cruzan a travĂ©s de mĂşltiples capas Ăłmicas. El análisis de una sola capa Ăłmica directamente no elucidad la interacciĂłn entre mĂşltiples capas Ăłmicas. En efecto la genĂłmica es la Ăłmica que más crecimiento ha tenido, peor por sĂ sola no es suficiente. El secuenciar genomas completos es Ăştil pero no provee informaciĂłn de cĂłmo funciona la maquinaria celular. Mucha informaciĂłn no puede ser obtenida solo de los genes, desde que los fenotipos dependen de las proteĂnas y no de los genes directamente. Es imposible elucidar mecanismos solo estudiando el genoma. con el trnascriptoma es igual porque no todos los ARNs son traducidos, la expresiĂłn de ARN no iempre se refleja en la cantidad de proteĂnas --> <img src="omics7.png" width="900" /> --- class: inverse, center, middle # 2. Proteome in Perspective --- # Proteome <!-- AhĂ es cuando la proteĂłmica permite comprender mejor el panorama, puesto que las proteĂnas son los agentes o entidades funcionales de la cĂ©lula --> Set of all proteins expressed in a given condition and given location. <img src="omics8.png" width="900" /> Image credit: [PastelBio](https://x.com/PastelBio/status/720536450803097600/photo/3) on X --- # Proteome <!-- --> *“The sum of proteoforms expressed in a selected type of biological material at a certain time”.* (Ponomarenko et al., 2016). <img src="omics9.png" width="500" /> Reference: Carbonara et al. (2021) doi: [10.3390/proteomes9030038](https://doi.org/10.3390/proteomes9030038) --- # Isoformes vs Proteoformes <img src="omics22.png" width="900" /> Reference: Hollas et al. (2022) doi: [10.1093/nar/gkab1086](https://doi.org/10.1093/nar/gkab1086) --- # Proteome complexity: reasons? Proteome complexity can be explained from three diverse perspectives: 1. **Evolutionary complexity** 2. Internal complexity 3. Sample complexity --- class: inverse, center, middle # 2.1 Evolutionary complexity --- # Evolutionary complexity Evolutionary complexity does not depend on **genome size** (c-value paradox) <img src="omics11.png" width="550" /> Image credit: [Animal Genome Size Database](http://www.genomesize.com/statistics.php) --- # Evolutionary complexity Evolutionary complexity does not depend on **genome size** (c-value paradox) <img src="omics12.png" width="700" /> Reference: Lackotia (2023) doi: [10.1016/j.bbadva.2023.100107](http://dx.doi.org/10.1016/j.bbadva.2023.100107) --- # Evolutionary complexity Evolutionary complexity also does not depend on the **number of genes**. <img src="omics13.png" width="700" /> Reference: Wasinger (2005) doi: [10.1002/0471973165.ch1](https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/0471973165.ch1) --- # Evolutionary complexity Evolutionary complexity depends on **protein regulation**: - Protein abundance - Proteome complexity --- # Protein abundance: highly regulated - Protein abundance is set by four rates: transcription, translation, mRNA decay and protein decay. These rates are controlled by diverse **regulators**. - Apparently, there are infinite translation/transcription ratios ("Crick Space") <!-- Para un gen, si quisiĂ©ramos 1000 proteĂnas por hora, podemos tener dos escenarios: o traducimos un solo ARN mensajero 1000 veces o traducimos 100 veces por hora a 10 ARN mensajeros Para cada gen, hay un nĂşmero infinito de combinaciones de tasas de transcripciĂłn y traducciĂłn para lograr una abundancia de proteĂna. Esto fue llamado "espacio Crick". Al final los niveles de una proteĂna dependen tanto de la tasa de transcripciĂłn del gen como de la tasa de traducciĂłn, osea el proteoma final tambiĂ©n depende de la regulaciĂłn transcripcional, post-transcripcional y traduccional --> <img src="omics14.png" width="700" /> Reference: Hausser et al. (2019) doi: [10.1038/s41467-018-07391-8](http://dx.doi.org/10.1038/s41467-018-07391-8) --- # Protein abundance: highly regulated <!-- Parece ser que mayormente, los genes combinan una alta tasa de traducciĂłn con una baja tasa de transcripciĂłn, siendo la mayor tasa de trasncripciĂłn la de 10^4 proteĂnas por hora. La mitad del espacio de Crick esta vacĂo (depleted): casi no existen genes que combinan una alta tasa de transcripciĂłn y baja tasas de traducciĂłn. En E. coli si hubo una excepciĂłn: algunos pocos genes habitan esa zona de alta tasa de transcripciĂłn y aja tasa de traducciĂłn, siendo la mayorĂa proteĂnas ribosomales. Entonces es más probable que un solo ARN mensajero sea traducido más veces a que aparezcan muchos ARN mensajeros. --> - Genes prefer combining high transcription rates with low translation rates - Depleted space of Crick space: almost no gene <img src="omics16.png" width="500" /> Reference: Hausser et al. (2019) doi: [10.1038/s41467-018-07391-8](http://dx.doi.org/10.1038/s41467-018-07391-8) --- # Protein abundance: highly regulated <img src="omics15.png" width="900" /> Reference: Harper & Bennett (2016) doi: [10.1038/nature19947](http://dx.doi.org/10.1038/nature19947) --- # Proteome complexity *Homo sapiens*: 40 proteins/gen, *E. coli*: 1 proteins/gen, *S. cerevisiae*: 3 proteins/gen <img src="omics10.png" width="400" /> Reference: Harper & Bennett (2016) doi: [10.1038/nature19947](http://dx.doi.org/10.1038/nature19947) --- # Proteome complexity: reasons? Proteome complexity can be explained from three diverse perspectives: 1. Evolutionary complexity 2. **Internal complexity** 3. Sample complexity --- class: inverse, center, middle # 2.2 Internal complexity --- # Protein interactome networks <img src="omics17.png" width="550" /> Reference: Carrera et al. (2017) doi: [10.3389/fmicb.2017.02458](https://doi.org/10.3389/fmicb.2017.02458) --- # Protein interactome networks <img src="omics18.png" width="500" /> Reference: Elhabashy et al. (2022) doi: [10.1016/j.str.2022.02.004](https://doi.org/10.1016/j.str.2022.02.004) --- # Protein-Protein interations (PPI) Supramolecular complexes formed through protein-protein interactions. <img src="omics19.png" width="900" /> Reference: Elhabashy et al. (2022) doi: [10.1016/j.str.2022.02.004](https://doi.org/10.1016/j.str.2022.02.004) --- class: inverse, center, middle # 3. Amalgamation of Tools for a Proteomic “Tool Box” --- # Technologies for proteomics <img src="omics27.png" width="450" /> Reference: Wasinger & Corthals (2002) doi: [10.1016/s1570-0232(02)00125-3](https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1570023202001253) --- # Types of proteomics workflow <img src="omics20.png" width="650" /> Image credit: [Sanju Tamang](https://microbenotes.com/proteomics/) on Microbe Notes --- # Top-down proteomics in bacteria <img src="omics21.png" width="900" /> Image credit: [Sanju Tamang](https://microbenotes.com/proteomics/) on Microbe Notes --- # Challenges of proteomics - Proteins with low abundance, i.e. insufficient concentration for biochemical analyses, e.g. 2D-PAGE (*dark proteome*): **dynamic range of protein expression** - High abundance of chemically similar proteins due to PTMs (proteoformes): **complex samples** --- # Benefits of proteomics ## Discovery and development of vaccines - Antigen discovery (immunogenic proteins as potential vaccine targets) - Vaccine development - Vaccine characterization --- # Benefits of proteomics ## Discovery and development of vaccines <img src="omics24.png" width="600" /> Adamczyk-Poplawska et al. (2011) doi: [/10.1016/j.jprot.2011.01.019 ](http://dx.doi.org/10.1016/j.jprot.2011.01.019) --- # Benefits of proteomics ## Discovery and development of vaccines <img src="omics23.png" width="550" /> Reference: Galassie & Link (2015) doi: [10.1002/prca.201500054](https://doi.org/10.1002/prca.201500054) --- # Benefits of proteomics ## Discovery and development of vaccines in *H. pylori* <img src="omics25.png" width="900" /> Reference: Hornburg et al. (2019) doi: [10.1038/s41598-019-53493-8](http://dx.doi.org/10.1038/s41598-019-53493-8) --- class: inverse, center, middle # 4. Relationship between Genome, Transcriptome, and Proteome --- # Transcriptomics and proteomics <!-- - Quantitative analysis of protein expression by simple deduction from mRNA transcript analysis is insufficient --> ## Correlation between mRNA and protein - mRNA level (transcriptomics) **is not** a good predictor of protein abundance (proteomics). <img src="omics28.png" width="900" /> Reference: Kumar et al. (2016) doi: [10.1002/pmic.201600140](http://dx.doi.org/10.1002/pmic.201600140) --- # Transcriptomics and proteomics ## Correlation between mRNA and protein In yeast, abundant (high copy number) proteins are well correlated with mRNA abundance <img src="omics31.png" width="800" /> Reference: Futcher et al. (1999) doi: [10.1128/MCB.19.11.7357](http://dx.doi.org/10.1128/MCB.19.11.7357) --- # Transcriptomics and proteomics ## Correlation between mRNA and protein In yeast, low copy number proteins are poorly correlated with mRNA abundance <!--En la gráfica hay 11 proteĂnas que son muy abundantes (muchas copias) y esas hacen que la correlaciĂłn sea fuerte en global, pero el grueso de proteĂnas son poco abundantes (pocas copias) y la correlaciĂłn allĂ es baja. --> <img src="omics29.png" width="600" /> Reference: Gygi et al. (1999) doi: [10.1128/MCB.19.3.1720](http://dx.doi.org/10.1128/MCB.19.3.1720) --- # Transcriptomics and proteomics ## Correlation between mRNA and protein <!--Hay un efecto grande de estas 11 proteĂnas altamente abundantes en la gráfica hay 11 proteĂnas que son muy abundantes y esas hacen que la correlaciĂłn sea fuerte. Considerando solo las proteĂnas poco abundantes la correlaciĂłn oscila entre 0.1 y 0.4 pero si incluimos las 11 proteinas más abundnates la correlaciĂłn aumenta a 0.94. Básicamente no hay una correlaciĂłn predictiva entre mRNA y proteĂnas, el nĂşmero de ARNm no es un buen predictor para deducir rápidamente los niveles de proteĂnas --> <!-- translatome refers to the set of all mRNAs that are being actively translated into proteins at any given time in a cell or tissue. Proteomics studies established proteins, while translatomics focuses on mRNAs that are in the process of being translated into proteins --> <img src="omics30.png" width="600" /> Reference: Gygi et al. (1999) doi: [10.1128/MCB.19.3.1720](http://dx.doi.org/10.1128/MCB.19.3.1720) --- # Transcriptomics and proteomics ## Correlation between mRNA and protein 2D electrophoresis and LC/MS methods are highly biased towards the detection of highly abundant proteins. Low-abundance proteins are usually not detected. <img src="omics32.png" width="600" /> Reference: Ghaemmaghami et al. (2003) doi: [10.1038/nature02046](http://dx.doi.org/10.1038/nature02046) --- # Transcriptomics and proteomics ## Correlation between mRNA and protein <!--Individual genes with equivalent mRNA levels can result in large differences in protein abundances--> <img src="omics33.png" width="600" /> Reference: Ghaemmaghami et al. (2003) doi: [10.1038/nature02046](http://dx.doi.org/10.1038/nature02046) --- # Transcriptomics and proteomics ## Correlation between mRNA and protein <!--Very abundant mRNAs generally encode for abundant proteins, and the average protein per mRNA ratio remains remarkably constant throughout the full range of mRNA abundances--> <img src="omics34.png" width="600" /> Reference: Ghaemmaghami et al. (2003) doi: [10.1038/nature02046](http://dx.doi.org/10.1038/nature02046) --- # Transcriptomics and proteomics ## Correlation between mRNA and protein <!--Large difference in individual protein/mRNA ratios--> <img src="omics35.png" width="500" /> Reference: Ghaemmaghami et al. (2003) doi: [10.1038/nature02046](http://dx.doi.org/10.1038/nature02046) --- class: inverse, center, middle # 5. What have Model Organisms Contributed to our Understanding of Biological Systems? --- # Model organisms <img src="omics36.png" width="900" /> --- class: inverse, center, middle # Thank you