Χαρακτηρισμός και συσχέτιση δομών ανασυνδυασμού με επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες του DNA σε καταστάσεις γενετικής αστάθειας με εργαλεία βιοπληροφορικής
Authors: Λαδιάς Πάρης 
Published: September 2021

Η συγκεκριμένη ερευνητική εργασία διεκπεραιώθηκε σε 4 στάδια. Στο πρώτο στάδιο χρησιμοποιήθηκαν βιοπληροφορικά εργαλεία για την ανάλυση δεδομένων ανασυνδυασμού από γενετικούς χάρτες, προκειμένου να εκτιμηθεί η μέση απόσταση μεταξύ ενός hotspot ανασυνδυασμού και των επόμενων, κατά μήκος του γονιδιώματος. Ο πρωταρχικός σκοπός αυτής της έρευνας ήταν η επικύρωση της θεωρίας του ανασυνδυασμού του T. H Morgan. Συνδυάζοντας σύνολα δεδομένων από γεγονότα ανασυνδυασμού που έχουν συγκεντρωθεί από μειώσεις κατασκευάστηκαν γενετικοί χάρτες ειδικοί για το κάθε φύλο. Αποδείχθηκε ότι υπάρχει διαφορική εκδήλωση της συχνότητας του ανασυνδυασμού στα 2 φύλα. Πιο συγκεκριμένα, η μεγάλη πλειοψηφία των hotspots στους άρρενες συγκεντρώνεται σε μικρές γενετικές αποστάσεις, αντιθέτως με τα hotspots των θήλεων τα οποία κατανέμονται ομοιόμορφα κατά μήκος των χρωμοσωμάτων.Στο δεύτερο στάδιο της έρευνας χαρακτηρίστηκαν ενδιάμεσες δομές ανασυνδυασμού, οι δομές Holliday οι οποίες προέρχονται από αλληλουχιακά μοτίβα ανεστραμμένων επαναλήψεων. Οι ανεστραμμένες επαναλήψεις είναι παρούσες σε αφθονία τόσο σε προκαρυωτικά όσο και σε ευκαρυωτικά γονιδιώματα και μπορούν να σχηματίσουν δευτερογενείς δομές του DΝΑ που εμπλέκονται σε πολλές σημαντικές βιολογικές διεργασίες όπως η αντιγραφή και η μεθυλίωση του DNA. Σε αυτό τα στάδιο, διερευνήθηκε κατά πόσο οι αλληλουχίες των IRs-HJs συνδέονται με μεταθετά στοιχεία (TEs) και κυρίως με ALUs, LINEs, SVAs και HERVs. Έξι διαφορετικές μορφές του αλληλουχιακού μοτίβου των IRs-HJs ταυτοποιήθηκαν και εντοπίστηκαν οι γονιδιωματικές συντεταγμένες αλληλουχιών που περιέχουν τόσο IRs-HJs όσο και ΤΕs. Από τα 2982 συνολικά HJs, βρέθηκε ένας σημαντικός αριθμός 1319 HJs που σχετίζονται με ΤΕs, με μέση κατανομή 1 HJ ανά 2,4 Mb. Ένα υψηλό ποσοστό IRs-HJs συσχετίστηκε με όλες τις κύριες οικογένειες ΤΕs, με ειδικότητα για συγκεκριμένα ενεργά ή ανενεργά μεταθετά στοιχεία: τα DNA μεταθετά και τα μεταγενέστερα στοιχεία των οικογενειών των ALUs, LINEs και HERVs έως 41,94%, 72,72%, 42,94% και 84,5% αντίστοιχα. Η φυλογενετική ανάλυση αποκάλυψε ότι τα HJs εμφανίζονται τόσο σε ενεργά όσο και σε αδρανή ΤΕs. Επιπλέον, οι σχετιζόμενες με ΤΕs IRs-HJs αλληλουχίες εντοπίστηκαν σχεδόν αποκλειστικά σε απόσταση μικρότερη από 1 Mb από τα ανθρώπινα γονίδια, ενώ μόνο 23 δεν συσχετίστηκαν με κανένα γονίδιο. Αυτή είναι η πρώτη αναφορά που συνδέει τα ανθρώπινα HJs με μεταθετά στοιχεία. Από τα παραπάνω δεδομένα προκύπτει ότι συγκεκριμένες αλληλουχιακές μορφές των HJs δείχνουν προτίμηση για συγκεκριμένα ενεργά στοιχεία των οικογενειών των ALUs και LINEs, αποδεικνύοντας ότι τα ενσωματωμένα σε ρετρομεταθετά IRs-HJs μπορούν να μεταφερθούν στο γονιδίωμα μέσω της ρετρομετάθεσης, συμβάλλοντας στον ανασυνδυασμό, στην πλαστικότητα του γονιδιώματος και στην επιδιόρθωση του DNA. Στο 3ο στάδιο της έρευνας χαρακτηρίστηκαν αλληλουχίες με ανασυνδυαστική δράση που ενοχοποιούνται για την εμφάνιση γονιδιωματικής αστάθειας ειδικότερα μέσω των συνδρόμων μικροελλείψεων και μικροδιπλασιασμών (MMS). Τα MMS προέρχονται από σπάνια γεγονότα ανασυνδυασμού, αλλά αθροιστικά αντιπροσωπεύουν μια σημαντική ομάδα γενετικών ανωμαλιών σχεδόν ισοδύναμων με ανευπλοειδίες. Από τις προσωπικές βάσεις δεδομένων των MMS διαπιστώθηκε ότι σχεδόν όλα τα MMS έχουν μήκος μικρότερο από 5 Mbs. Επιπλέον, ένα σημαντικό ποσοστό αυτών έχει μήκος μικρότερο από 0.5Mbs και όλα μαζί εμφανίζουν μεγάλη πιθανότητα να φιλοξενούν TEs και HJs-IR. Πιο σημαντικά, η βιοπληροφορική ανάλυση εγγύτητας γονιδίων αποκάλυψε ότι ένας σημαντικά υψηλός αριθμός IRs-HJs που σχετίζονται με MMS εντοπίζονται σε περιοχές γονιδίων που ελέγχουν βασικές αναπτυξιακές διεργασίες της εμβρυογένεσης και της μορφογένεσης οργάνων. Συνολικά, προτείνεται ότι τα IRs-HJs και άλλες μονάδες ανασυνδυασμού, όπως τα ΤΕs που εντοπίζονται σε περιοχές των MMS, ίσως δηλώνουν έναν πιθανό μηχανισμό για την εμφάνισή των συγκεκριμένων συνδρόμων κατά τη διάρκεια της γαμετογένεσης. Στο τελικό στάδιο της έρευνας εντοπίστηκαν παραλλαγές του μοτίβου αλληλουχίας PRDM9 (CCNCCNTNNCCNC) οι οποίες ενοχοποιούνται για τη εμφάνιση καρκίνου του μαστού (BRC), κεφαλής και τραχήλου (HN) καθώς και για το αδενοκαρκίνωμα του πνεύμονα LUAD). Τα τελικά αποτελέσματα έδειξαν την ύπαρξη συγκεκριμένων αλληλουχιών PRDM9 που βρίσκονται εντός των ορίων των δίκλωνων θραύσεων που είναι υπεύθυνες για τη δημιουργία ειδικών τύπων καρκίνου αφού αποδείχθηκε με βιοπληροφορική ανάλυση η στατιστική σημασία της παρουσίας κάθε αλληλουχίας PRDM9 εντός των BRC, HN και LUAD . Για πρώτη φορά, αποδεικνύεται άμεση συσχέτιση μεταξύ του αλληλουχιακού μοτίβου d(CCACCATCACCAC) και της εμφάνισης του καρκίνου του μαστού (BRC), του αδενοκαρκινώματος του πνεύμονα (LUAD) και του καρκίνου κεφαλής και τραχήλου(HN).