Ανάλυση και μοντελοποίηση βιολογικών δικτύων με χρήση δεδομένων από μεγάλης κλίμακας τεχνικές της μοριακής βιολογίας
Authors: Δημητρακοπούλου Κωνσταντίνα 
Published: August 2021

Στην εποχή της Συστημικής Ιατρικής, οι τεχνολογίες μαζικής καταγραφής της γονιδιακής και miRNA έκφρασης (π.χ. μικροσυστοιχίες, RNA-seq) αλλά και οι τεχνολογίες ανίχνευσης πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων (π.χ. yeast two-hybrid, co-immunoprecipitation) απελευθέρωσαν τεράστια ποσά δεδομένων για την αποσαφήνιση των μηχανισμών των πολύπλοκων ασθενειών. Η παρούσα διδακτορική διατριβή συμβάλλει προσφέροντας νέες υπολογιστικές μεθοδολογίες και εργαλεία και παραθέτοντας νέες αξιόπιστες βιολογικές υποθέσεις για την επίλυση σύνθετων ασθενειών του ανθρώπου.Καταρχήν, αποκτήθηκε γνώση του θεωρητικού υπόβαθρου διάφορων μέγαλης κλίμακας μοριακών τεχνικών, τεχνικών εξόρυξης δεδομένων όπως η ομαδοποίηση καθώς και γραφοθεωρητικών προσεγγίσεων. Έπειτα, σχεδιάστηκε μια μεθοδολογία για συνδυασμό πρωτεωμικών και μεταγραφωμικών δεδομένων και αναπτύχθηκε ένα αλγόριθμος ομαδοποίησης γράφων, που ονομάζεται Detect Modules (DetMod), ο οποίος ανιχνεύει κοινοτήτες/υπο-δομές (modules) πρωτεϊνών με διακριτή βιολογική λειτουργία και έντονη δυναμική συσχέτιση σε επίπεδο έκφρασης. Η απόδοση και αξιοπιστία της μεθόδου εξετάστηκε και πιστοποιήθηκε στον απλό οργανισμό-μοντέλο Saccharomyces cerevisiae προτού εφαρμοστεί στην επίλυση προβλημάτων της φαρμακογονιδιωματικής όπως η απόκριση του μεταγραφήματος στην θεραπεία με ταμοξιφένη στην περίπτωση του θετικού στην απόκριση σε οιστρογόνα καρκίνου του μαστού. Αποτέλεσμα της μεθόδου είναι δυναμικοί βιοδείκτες της απόκρισης στην ταμοξιφένη με μορφή υπο-δομών αντί μεμονωμένων πρωτεϊνών. Παράλληλα, στα πλαίσια της σύγχρονης βιβλιογραφίας όπου οι εμπλεκόμενοι μηχανισμοί του καρκίνου αλληλοεπικαλύπτονται με αυτούς της γήρανσης, μια προσαρμοσμένη μεθοδολογία ανάλογη με την προαναφερόμενη εφαρμόστηκε στη μελέτη του φαινομένου της γήρανσης. Τα αποτελέσματα της μεθόδου σε πολλαπλούς ιστούς του ποντικού, και σε δεύτερο στάδιο μεμονωμένα στον καρδιακό ιστό, ανέδειξαν ποια μοριακά μονοπάτια εμπλέκονται στη γήρανση όλων των ιστών και ποια εξειδικεύονται σε ένα μόνο ιστό. Στην περίπτωση του καρδιακού ιστού βιοδείκτες σε μορφή υπο-δομών αποτυπώνουν τα εμπλεκόμενα μονοπάτια αλλά και τη συνεργατική δράση και υπαιτιότητα των miRNA.Σε επόμενο στάδιο μελετήθηκαν οι μηχανισμοί απόκρισης στη γρίπη Α (Η1Ν1) μέσω της ανακατασκευής Γονιδιακών Ρυθμιστικών Δικτύων (ΓΡΔ) που αναπαριστούν τις χρονικά μεταβαλλόμενες αιτιατές σχέσεις μεταξύ μοριακών μονοπατιών από χρονοσειρές γονιδιακής έκφρασης. Το χρονικά μεταβαλλόμενο ΓΡΔ προέκυψε μέσα από μια μέθοδο συνδυασμού πολλαπλών αλγορίθμων ανακατασκευής από διαφορετικές κλάσεις του μαθηματικού φορμαλισμού. Η μέθοδος προσέφερε νέα γνώση για τη συνδεσιμότητα των μοριακών μονοπατιών μέχρι και την 60η ημέρα μετά την εισβολή του ιού στον πνευμονικό ιστό του ποντικού από το στάδιο της φυσικής ανοσίας, στη χυμική ανοσία και τέλος στη διαδικασία αποκατάστασης.Τέλος, παρουσιάζεται ο OLYMPUS, ένας νέος υβριδικός μη επιβλεπόμενος αλγόριθμος ομαδοποίησης που εφαρμόστηκε σε χρονοσειρές γονιδιακής έκφρασης σε απόκριση στη γρίπη Α (Η1Ν1). Ο OLYMPUS χρησιμοποιεί τον Διαφορεξελικτικό αλγόριθμο ως στρατηγική βελτιστοποίησης ενός ασαφούς αλγορίθμου ομαδοποίησης και παράλληλα ενσωματώνει το κριτήριο Bayesian Information με σκοπό την αυτόματη εύρεση του βέλτιστου αριθμού ομάδων. Η ανάλυση των εξαγόμενων ομάδων προσέφερε νέες υποθέσεις σχετικά με τη δυναμική πολλών μοριακών μονοπατιών που εμπλέκονται στην ανοσολογική απόκριση και για πρώτη φορά αναδείχθηκε ο ρόλος των κατασταλμένων διεργασιών στο κινητικό μοντέλο της γρίπης Α.