Ανάπτυξη αλγοριθμικών τεχνικών βιοπληροφορικής και συστημικής βιολογίας : μελέτη της κυτταρικής λειτουργίας με χρήση ετερογενών βιολογικών δεδομένων

• Κύριος συγγραφέας: Βραχάτης, Αριστείδης
• Άλλοι συγγραφείς: Τσακαλίδης, Αθανάσιος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2017
• Θέματα: Υπολογιστική συστημική βιολογία; Αλγόριθμοι; Κυτταρική λειτουργία; Computational systems biology; Algorithms; Cell function; 570.285

Η «Βιολογία Συστημάτων» (Systems Biology) αφορά μια ολιστική προσέγγιση, η οποία μελετά και περιγράφει τις υποκείμενες βιολογικές διεργασίες χρησιμοποιώντας τη θεωρία των συστημάτων. Διανύουμε την εποχή της ακμής της Βιολογίας Συστημάτων, η οποία άρχισε να κερδίζει έδαφος μετά την ολοκλήρωση του ‘Human Genome Project’, το οποίο έκανε εμφανές ότι η Βιολογία είναι Επιστήμη Πληροφορίας. Μια σημαντική ερευνητική περιοχή της Βιολογίας Συστημάτων, αποτελεί η ανάλυση βιολογικών γράφων με χρήση ετερογενών δεδομένων που παράγονται από ομικες τεχνολογίες. Η επιτυχής ανάλυση του, δύναται να αποκρυπτογραφήσει την εγγενή πολυπλοκότητα των βιολογικών διεργασιών και να αποσαφηνίσει την πολυπλοκότητα των βιολογικών ασθενειών. Προς αυτή την κατεύθυνση κινείται η παρούσα διατριβή, η οποία στα δύο πρώτα κεφάλαιο κάνει μια εισαγωγή και μια βιβλιογραφική ανασκόπηση στην συγκεκριμένη ερευνητική περιοχή. Στα υπόλοιπα κεφάλαιο, εντοπίζει και επιλύει διάφορα ερευνητικά προβλήματα σχετικά με αυτή την περιοχή. Η επίλυση πραγματοποιήθηκε μέσα από το σχεδιασμό και την υλοποίηση αλγοριθμικών τεχνικών, οι οποίοι ξεπέρασαν σε αποτελεσματικότητα αντίστοιχα εργαλεία τελευταίας αιχμής και η εφαρμογή σου σε πραγματικά βιολογικά δεδομένα έδωσε σημαντικά αποτελέσματα και βιολογικές αποδείξεις. Πιο συγκεκριμένα, στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια μεθοδολογία που ενσωματώνει ετερογενή δεδομένα από ομικές τεχνολογίες για την εύρεση λειτουργικών υποδομών σε ένα πρωτεϊνικό δίκτυο. Μέσα από τις λειτουργικές υποδομές, εντοπίζει τους μηχανισμούς που προκαλούν μια ασθένεια ή μια βιολογική διεργασία αποκρυπτογραφώντας παράλληλα τη συνεργατική επίδραση των microRNAs στις συγκεκριμένες λειτουργικές υποδομές. Η μεθοδολογία εφαρμόζεται σε πολλαπλά ανεξάρτητα δεδομένα μεταγραφόματος που μελετούν το φαινόμενο της καρδιακής γήρανσης, παρουσιάζοντας μια μετα-ανάλυση η οποία ενσωματώνεται στο μεθοδολογικό πλαίσιο. Τα βιολογικά αποτελέσματα δείχνουν τη σημαντικότητα της μεθόδου τόσο μέσα από την επιβεβαίωση τους από παρόμοιες μελέτες της σύγχρονης βιβλιογραφίας, όσο και από τις νέες προτάσεις που προέκυψαν και αξίζουν προς περαιτέρω μελέτη και πειραματική επιβεβαίωση. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται μια μεθοδολογία εύρεσης λειτουργικών υποδομών, η οποία βασίζεται σε πρωτεϊνικές αλληλεπιδράσεις από πολλαπλές πηγές και γονιδιακές εκφράσεις από πολλαπλούς ιστούς του ίδιου πειράματος, οι οποίες προκύπτουν από τεχνικές μικροσυστοιχειών (microarrays). Η μεθοδολογία εφαρμόζεται σε δεδομένα έκφρασης της γήρανσης από πολλαπλούς ιστούς του ποντικού και επιτυγχάνει την κατηγοριοποίηση των λειτουργικών υποδομών που εξάγονται καταγράφοντας τη συχνότητα εμφάνισης τους στους εν λόγω ιστούς. Η κατηγοριοποίηση αυτή ξεφεύγει από τις συνηθισμένες αντίστοιχες κατηγοριοποιήσεις και υιοθετεί τρία νέα σχήματα που αποτυπώνουν εκτενέστερα την επικάλυψη των λειτουργικών υποδομών μεταξύ των ιστών. Στο πέμπτο κεφάλαιο, περιγράφεται το λογισμικό πακέτο CHRONOS (time-vaRying enriCHment integrOmics Subpathway aNalysis tOol), ένα εργαλείο το οποίο εντοπίζει σημαντικά εμπλουτισμένα και miRNA-ρυθμιζόμενα υπομονοπάτια από χάρτες σηματοδοτικών μονοπατιών KEGG ενσωματώνοντας χρονοσειρές γονιδιακής έκφρασης mRNA/miRNA με mRNA/miRNA αλληλεπιδράσεις. Η κύρια βιολογική μας υπόθεση είναι ότι κατά τη διάρκεια της διεξαγωγής ενός πειράματος (time course) ενεργοποιούνται διαφορετικές υποπεριοχές της τοπολογίας ενός σηματοδοτικού μονοπατιού, με τις μεταβάσεις της δραστηριότητας των υπομονοπατιών μια χρονική στιγμή t να εξαρτώνται μόνο από την προηγούμενη. Στο πλαίσιο της βιολογικής ανάλυσης ο CHRONOS εφαρμόστηκε σε ένα σύνολο δεδομένων χρονοσειρών γονιδιακής έκφρασης mRNA/miRNA, το οποίο προέκυψε μετά από διέγερση της κυτταρικής σειράς του ανθρώπινου A375 μελανώματος με ιντερφερόνη γάμμα (IFN-g). Στο έκτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται μια μεθοδολογία, η οποία εντοπίζει διαφορικά εκφρασμένα μονοπάτια τα οποία σχετίζονται με ένα πρόβλημα που είναι υπό μελέτη και τη ταυτόχρονη επίδραση τους από microRNAs. Η μέθοδος βασίζεται σε δίκτυα μονοπατιών της KEGG όπου ενσωματώνει πληροφορία από γονιδιακές εκφράσεις mRNA και από τη ροή πληροφορίας στη τοπολογία του δικτύου. Το κίνητρο για τη συγκεκριμένη εργασία ήταν η παρατήρηση ότι ακόμη και αν κάποια γονίδια δεν είναι ιδιαίτερα εκφρασμένα, η θεώρηση τους ως μια ενιαία οντότητα μπορεί να μας βοηθήσει στην κατανόηση της υποκείμενης βιολογικής διεργασίας. Η εφαρμογή της μεθοδολογίας σε δεδομένα που σχετίζονται με τη γήρανση, έδωσε τόσο νέα βιολογική γνώση όσο και ταυτοποίηση της ήδη υπάρχουσας γνώσης όμως μέσα από ολόκληρα υπομονοπάτια γονιδίων και όχι από μεμονωμένα γονίδια - βιοδείκτες. Στο έβδομο κεφάλαιο, παρουσιάζεται το λογισμικό πακέτο DEsubs (Differentially expressed subpathways), ένα εργαλείο που ανιχνεύει μέσα σε ένα δίκτυο μονοπατιών, «διαταραγμένα από ασθένειες υπομονοπάτια» (disease-perturbed subpathways) όπως αυτά καταγράφονται από RNA-seq πειράματα. Περιέχει ένα εκτενές και προσαρμοσμένο από το χρήστη μεθοδολογικό πλαίσιο, το οποίο προσφέρει ένα ευρύ φάσμα επιλογών σε όλα τα στάδια μιας ανάλυσης υπομονοπατιών. Περιέχει διάφορες επιλογές λειτουργίας αναφορικά με (α) την κατασκευή του γράφου μονοπατιών, (β) την επεξεργασία του γράφου μονοπατιών, (γ) την εξαγωγή υπομονοπατιών, (δ) την ανάλυση εμπλουτισμού τους σε διάφορα βιολογικά και φαρμακολογικά χαρακτηριστικά και (ε) την άρτια οπτικοποίηση των τελικών αποτελεσμάτων. Οι δυνατότητες του, το καθιστούν ένα εργαλείο-οδηγό για τον κάθε ερευνητή συστημικής βιολογίας, για την εύρεση πιο εύρωστων συστημικού τύπου στόχους φαρμάκων και βιοδεικτών για πολύπλοκες ασθένειες.