Development of analytical frameworks for the integration of molecular data views to understand the biology of myeloid malignancies
Authors: Ασιμομήτης Γεώργιος 
Published: June 2024

Οι μυελογενείς κακοήθειες αποτελούν ετερογενείς διαταραχές κλωνικών βλαστοκυττάρων, που οφείλονται σε γενετικές αλλοιώσεις και οδηγούν σε ελαττωματική αιμοποίηση. Η έρευνα των μηχανισμών των μυελογενών νεοπλασμάτων βασίζεται σε πειραματικά μοντέλα βιολογίας και στο φαινοτυπικό προσδιορισμό πρωτογενών δειγμάτων ασθενών μέσω ανερχόμενων γονιδιωματικών τεχνολογιών. Στο περιθώριο της αυξανόμενης πολυπλοκότητας, του όγκου και της διαστασιμότητας των δεδομένων που δημιουργούνται από αυτές τις πρακτικές, η εν λόγω διατριβή αναπτύσσει υπολογιστικά πλαίσια χρησιμοποιώντας διαφορετικά ομικά προφίλ (γονιδιωματικά, μεταγραφωματικά, επιγονιδιωματικά) και είδη τεχνικών αλληλουχίας (μαζικής και μεμονωμένων κυττάρων), με στόχο να ενισχύσει την κατανόηση της υποκείμενης βιολογίας των μυελογενών νεοπλασμάτων. Συγκεκριμένα, η εργασία αυτή στηρίζεται στη σύμπραξη και τη διασύνδεση πολλαπλών όψεων δεδομένων για την ολιστική ανάλυση σημάτων, αποσκοπώντας να αποσαφηνίσει μοριακά τοπία και να επικουρήσει τη μελέτη φαινότυπων σε γενετικό επίπεδο. Το Κεφάλαιο 2 ερευνά τα τοπία μεταγραφώματος και χρωματίνης των SF3B1 μεταλλαγμένων Μυελοδυσπλαστικών Συνδρόμων (MDS), αξιοποιώντας δεδομένα μαζικής αλληλουχίας RNA και ATAC από ισογονικές υγιείς και SF3B1 μεταλλαγμένες σειρές επαγόμενων πολυδύναμων βλαστικών κυττάρων (iPSCs). Ειδικά, υλοποιούμε ένα αναλυτικό πλαίσιο συγχώνευσης πληροφοριών από διαφορετικά επίπεδα δεδομένων αλληλουχίας RNA (μάτισμα, χρήση μεταγραφημάτων, έκφραση γονιδίων). Το πλαίσιο αυτό ξεχωρίζει ένα σύνολο συμβάντων ματίσματος από 34 γονίδια, το οποίο σχετίζεται με την κατάσταση της μετάλλαξης SF3B1 σε πρωτογενή δείγματα ασθενών με MDS. Παράλληλα, η ανάλυση της προσβασιμότητας της χρωματίνης δείχνει αυξημένη παρουσία μοτίβων TEAD σε ένα σύνολο ανοιχτών περιοχών της καθώς και αυξημένη κλίση των αιμοποιητικών προγονικών κυττάρων SF3B1 προς την κατεύθυνση των μεγακαρυοκυττάρων - ερυθροειδών. Συνολικά, το κεφάλαιο αυτό, συνδυάζει προβολές από δεδομένα RNA για να κατηγοριοποιήσει γονιδιακούς στόχους με ελαττωματικό μάτισμα, ενώ επίσης παρέχει μια επισκόπηση του τοπίου της χρωματίνης SF3B1 MDS και προτείνει προγράμματα μεταγραφής με πιθανούς ρόλους στη βιολογία της νόσου MDS. Το Κεφάλαιο 3 εξετάζει εάν η έκφραση γονιδίων μεμονωμένων κυττάρων μαζί με την υπολογιστική ικανότητα των νευρωνικών δικτύων μπορούν να προβλέψουν χαρακτηριστικά του κυτταρικού γονότυπου στην IDH1/2 μεταλλαγμένη Οξεία Μυελογενή Λευχαιμία (AML). Συγκεκριμένα, χρησιμοποιώντας δεδομένα αλληλουχίας RNA μεμονωμένων κυττάρων από 50.026 κύτταρα, εκπαιδεύτηκε ένα νευρωνικό δίκτυο που προβλέπει την κακοήθη ή υγιή κατάσταση του κυττάρου με ακρίβεια 98%. Στη συνέχεια, δοκιμάστηκε μια παρόμοια αρχιτεκτονική για την ταυτόχρονη πρόβλεψη συγκεκριμένων γονιδιωματικών ανωμαλιών σε μεμονωμένα κύτταρα, η οποία παρουσίασε macro-average AUC ROC=0.84 και AUC ROC=0.83 για την πρόβλεψη της μετάλλαξης NRAS. Εν κατακλείδι, το κεφάλαιο 3, μέσω επιβλεπόμενου deep learning, συνδέει τα προφίλ γονιδιακής έκφρασης και γονότυπου μεμονωμένων κυττάρων στην IDH1/2 μεταλλαγμένη AML και δείχνει την προοπτική τέτοιων προσεγγίσεων μοντελοποίησης στην αποτύπωση σχέσεων γονότυπου-φαινότυπου.