Μελέτη της λειτουργικής συσχέτισης νοσημάτων μέσω συνδυαστικής ανάλυσης εμπλουτισμένων βιομοριακών δικτύων
Authors: Τσαρέ Ευριδίκη-Πανδώρα 
Published: November 2023

Οι μελέτες γενετικής συσχέτισης γονιδιωματικής κλίμακας (Genome Wide Association Studies-GWAS) έχουν προσδιορίσει εκατοντάδες γενετικούς τόπους που σχετίζονται με νοσήματα. Μέχρι σήμερα, υπάρχουν μόνο γενικά αποθετήρια δεδομένων GWAS αλλά δεν υπάρχουν ειδικές για νοσήματα μετα-βάσεις δεδομένων που να ενσωματώνουν γονιδιωματικά δεδομένα, μεταξύ των οποίων συσχετίσεις παραλλαγών-γονιδίων, αλλά και να συνδυάζουν λειτουργικά δεδομένα σε κάθε επίπεδο της γενετικής πληροφορίας, συμπεριλαμβανομένων δεδομένων eQTL και αλληλεπιδράσεων μεταξύ πρωτεϊνών. Αυτά θα επιτρέψουν την ολιστική ανάλυση των δεδομένων GWAS για ένα συγκεκριμένο νόσημα, στο πλαίσιο των βιομοριακών δικτύων, επικυρώνοντας και αναβαθμίζοντας το πληροφοριακό τους πλαίσιο. Για το σκοπό αυτό, η παρούσα μελέτη έχει ως στόχο την ανάπτυξη μιας μετα-βάσης δεδομένων GWAS για τη ρύθμιση της αρτηριακής πίεσης και την ανάλυση αυτών των δεδομένων στο πλαίσιο του δικτύου πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων (Protein-Protein Interaction -PPI- Network) του ανθρώπου, καθώς η συγκεκριμένη φυσιολογία προκύπτει από τη διαρρύθμιση αλληλεπιδρώντων πολυγονιδιακών μονοπατιών. Η ροή εργασίας που εφαρμόστηκε περιλαμβάνει: (α) την ανάπτυξη μιας συστηματικά επιμελημένης από τη βιβλιογραφία μετα-βάσης δεδομένων GWAS για τη ρύθμιση της αρτηριακής πίεσης, συμπεριλαμβανομένων συσχετίσεων παραλλαγών-γονιδίων και δεδομένων eQTL (β) την προτεραιοποίηση γονιδίων που υποδεικνύονται από τις GWAS βάσει συνδυαστικών κριτηρίων που βασίζονται στα δεδομένα GWAS, (γ) την ανακατασκευή ενός εκτεταμένου δικτύου πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων για την αρτηριακή πίεση, για την ταυτοποίηση νέων πρωτεϊνών σχετικών με την αρτηριακή πίεση ως γειτονικές των πρωτεϊνών που έχουν υποδειχθεί από τις GWAS, (δ) την ανάλυση εμπλουτισμού σε μονοπάτια του εκτεταμένου συνόλου των σχετικών με την αρτηριακή πίεση πρωτεϊνών και (ε) την προτεραιοποίηση των γονιδίων/πρωτεϊνών στο εκτεταμένο σύνολο βάσει κριτηρίων που βασίζονται στα δεδομένα GWAS και στην ανάλυση του ανακατασκευασμένου δικτύου.Το σχεσιακό σχήμα της μετα-βάσης δεδομένων GWAS για τη ρύθμιση της αρτηριακής πίεσης, που υλοποιήθηκε με το εργαλείο Microsoft SQL Server, επέτρεψε την αποθήκευση: (α) δεδομένων και χαρακτηριστικών των GWAS, όπως εξορύσσονται από τη βάση δεδομένων GWAS Catalog, η πλειονότητα των οποίων επιμελούνται από τη βιβλιογραφία, (β) γονιδιωματικών δεδομένων από την Ensembl, και (γ) μετρήσεων eQTL από την GTEx. Όλες οι πληροφορίες συνδέονται με το οντολογικό δίκτυο πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων του ανθρώπου της μετα-βάσης γνώσης PICKLΕ, η οποία χρησιμοποιήθηκε για την ανακατασκευή του σχετικού με τη ρύθμιση της αρτηριακής πίεσης δικτύου πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων. Προτείναμε (α) ένα ολοκληρωμένο σκορ προτεραιοποίησης γονιδίων που βασίζεται σε δεδομένα GWAS, (β) μια μέθοδο που βασίζεται στην εύρεση των συντομότερων μονοπατιών (shortest paths) για την επέκταση του δικτύου πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων που προκύπτει από τις GWAS, υποθέτοντας τους ενδιάμεσους κόμβους ως σχετιζόμενους με την αρτηριακή πίεση, (γ) δύο κριτήρια προτεραιοποίησης του εκτεταμένου συνόλου των σχετικών με την αρτηριακή πίεση πρωτεϊνών που βασίζονται στο δίκτυο, αξιολογώντας τον ρόλο τους στο ανακατασκευασμένο πρωτεϊνικό δίκτυο σχετικό με την αρτηριακή πίεση και στο υποδίκτυο των προτεραιοποιημένων GWAS-πρωτεϊνών και των κοινών γειτόνων τους. To ολοκληρωμένο σύνολο των σχετικών με την αρτηριακή πίεση πρωτεϊνών που προτεραιοποιούνται είναι η ένωση των τριών υποομάδων, όπου χαρακτηρίζονται ως πιο σημαντικές εκείνες με βάση τον αριθμό των κριτήρια ικανοποιούν. Η ανάλυση εμπλουτισμού των μονοπατιών με πρωτεΐνες σχετικές με τη ρύθμιση της αρτηριακής πίεσης πραγματοποιήθηκε αξιοποιώντας τις βάσεων δεδομένων KEGG και DAVID. Η ανάλυση δικτύου βασίστηκε στο εργαλείο Cytoscape. Για το εκτεταμένο σύνολο πρωτεϊνών σχετικών με την αρτηριακή πίεση προσδιορίστηκαν, επίσης. οι πρωτεΐνες-στόχοι αντι-υπερτασικών φαρμάκων κάνοντας χρήση των βάσεων δεδομένων UniProt και DrugBank και οι συσχετίσεις τους με άλλα νοσήματα μέσω της DAVID.Η μετα-βάση δεδομένων GWAS για τη ρύθμιση της αρτηριακής πίεσης περιλαμβάνει 6687 παραλλαγές που σχετίζονται στατιστικώς σημαντικά με την αρτηριακή πίεση, με τις 3738 να σχετίζονται με 1167 γονίδια πρωτεϊνών. Περίπου 25% των γονιδίων χαρτογραφούνται στα χρωμοσώματα 1, 2 και 11 και ~57% υποστηρίζονται από μετρήσεις eQTL, που σχετίζονται κυρίως με την κνημιαία αρτηρία και το κνημιαίο νεύρο. Με τη συστολική ή τη διαστολική αρτηριακή πίεση σχετίζονται το ~60% και το ~40% των γονιδίων, αντίστοιχα, και 20% με αμφότερα τα χαρακτηριστικά. Το ολοκληρωμένο κριτήριο προτεραιοποίησης που βασίζεται σε GWAS προτεραιοποίησε 103 γονίδια. Στο δίκτυο πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων του ανθρώπου, τα δύο τρίτα (672) των σχετικών με την αρτηριακή πίεση πρωτεϊνών (1065) σχηματίζουν ένα συνδεδεμένο πρωτεϊνικό υποδίκτυο. Μέσω της επέκτασης του σχετικού με την αρτηριακή πίεση πρωτεϊνικού δικτύου μέσω των συντομότερων μονοπατιών που συνδέουν τις πρωτεΐνες που προκύπτουν από τις GWAS προσδιορίστηκαν 1443 ενδιάμεσοι κόμβοι ως δυνητικά σχετιζόμενοι με την αρτηριακή πίεση και αποκαλύφθηκε ότι σχεδόν όλες οι πρωτεΐνες που προκύπτουν από τις GWAS είναι το πολύ δεύτεροι γείτονες. Η ανάλυση του ανακατασκευασμένου πρωτεϊνικού δικτύου υπέδειξε 106 πρωτεΐνες που σχετίζονται σημαντικά με την αρτηριακή πίεση, ενώ 253 πρωτεΐνες συμπεριλήφθηκαν στο υποδίκτυο των πρωτεϊνών που έχουν προτεραιοποιηθεί βάσει του ολοκληρωμένου κριτηρίου προτεραιοποίησης που βασίζεται στα δεδομένα GWAS και των κοινών γειτόνων τους. Η ένωση των τριών υποσυνόλων των πρωτεϊνών που προτεραιοποιούνται περιλαμβάνει 335 πρωτεΐνες σχετικές με την αρτηριακή πίεση, από τις οποίες 211 ανήκουν στις 1443 πρωτεΐνες που προσδιορίστηκαν από την ανακατασκευή του δικτύου, και 93% σχηματίζουν ένα συνδεδεμένο δίκτυο. Στο σύνολο των προτεραιοποιημένων, μια πρωτεΐνη κατατάσσεται υψηλότερα με βάση των αριθμό των κριτηρίων προτεραιοποίησης που ικανοποιεί. Η ESR1 ικανοποιεί και τα τρία κριτήρια προτεραιοποίησης. Στην λίστα κατάταξης την ESR1 ακολουθούν οι πρωτεΐνες που προτεραιοποιηθεί βάσει του ολοκληρωμένου κριτηρίου προτεραιοποίησης που βασίζεται στα δεδομένα GWAS και έχουν κοινούς γείτονες, συμπεριλαμβανομένων των INSR, PTN11, CDK6, CSK, NOS3, SH2B3, ATP2B1, FES και FINC. Η ανάλυση εμπλουτισμού των μονοπατιών του εκτεταμένου συνόλου των πρωτεϊνών που σχετίζονται με τη ρύθμιση της αρτηριακής πίεσης υπέδειξε εμπλουτισμό σε πολυάριθμες βιολογικές διεργασίες και μονοπάτια που σχετίζονται με την αρτηριακή πίεση. Ιδιαίτερα, τα περισσότερα μονοπάτια προσδιορίστηκαν ως σημαντικά εμπλουτισμένα μετά την ανακατασκευή του πρωτεϊνικού δικτύου, συμπεριλαμβανομένου του μονοπατιού σηματοδότησης HIF1. Κάποιες από τις σχετικές με την αρτηριακή πίεση πρωτεΐνες είναι στόχοι αντι-υπερτασικών φαρμάκων και πολλές σχετίζονται και με άλλα νοσήματα μεταξύ των οποίων ο διαβήτης και το μεταβολικό σύνδρομο, νευρολογικά νοσήματα, η καρδιακή και νεφρική ανεπάρκεια και το εγκεφαλικό επεισόδιο. Πράγματι, η ολοκληρωμένη ανάλυση των δεδομένων GWAS και του δικτύου πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων επεκτείνει τις γνώσεις μας σχετικά με τη ρύθμιση της αρτηριακής πίεσης. Η προτεινόμενη ροή εργασίας που εφαρμόστηκε στην παρούσα διατριβή θα μπορούσε συνεπώς να χρησιμοποιηθεί για άλλα πολυπαραγοντικά νοσήματα εμπλουτίζοντας τη συσχέτιση γονοτύπου-φαινοτύπου με επιπρόσθετα δεδομένα.