An in-silico approach for predicting and characterizing interactomes among bacterial genes and host microRNAs
Authors: Σκούφος Γεώργιος 
Published: January 2023

Η επιστήμη της Μεταγονιδιωματικής έχει προσφέρει τα τελευταία χρόνια σημαντικές δυνατότητες προς τη μελέτη των μικροοργανισμών (Βακτήρια, Αρχαία, Μύκητες, Ιοί) σε περίπλοκα περιβαλλοντικά δείγματα όπως είναι το νερό ωκεανών, το χώμα αλλά και το ανθρώπινο σώμα. Με τον όρο Μικροβίωμα χαρακτηρίζεται το σύνολο των μικροοργανισμών που εποικίζουν ένα περιβάλλον, καθώς επίσης και οι λειτουργίες που επιτελούν σε αυτό. Οι τεχνικές Αλληλούχησης Επόμενης Γενιάς (π.χ., Shotgun metagenomics) έχουν παίξει καθοριστικό ρόλο στη μελέτη των περίπλοκων αλληλεπιδράσεων μεταξύ Ξενιστή-Μικροβιώματος στον άνθρωπο και σε άλλους οργανισμούς. Το Human Microbiome Project και παρόμοιες μελέτες μεγάλης κλίμακας των τελευταίων ετών, αποκάλυψαν τη σημασία του Μικροβιώματος και τη συμμετοχή του σε παθολογικές καταστάσεις συμπεριλαμβανομένων των φλεγμονωδών νόσων του εντέρου, νεοπλασματικών παθήσεων, μεταβολικών διαταραχών, νευροεκφυλιστικών ασθενειών και άλλων παθήσεων.Τα microRNAs (miRNAs) αποτελούν μη-κωδικά μετάγραφα μήκους ~22 νουκλεοτιδίων. Είναι κύριοι μετα-μεταγραφικοί ρυθμιστές της γονιδιακής έκφρασης με καθοριστικό ρόλο σε πολυάριθμες φυσιολογικές αλλά και παθολογικές καταστάσεις. Τα miRNAs προσδένουν σε μικρές ακολουθίες των στόχων τους που ονομάζονται Στοιχεία Αναγνώρισης από miRNAs (miRNA Recognition Elements, MREs). Κατά τη στόχευση, τα miRNAs προσδένονται στα MREs, με βάση σύνθετους κανόνες τέλειας ή ατελούς συμπληρωματικότητας του RNA, επάγοντας την καταστολή της μετάφρασης ή και την αποικοδόμησή του. Η πλειοψηφία των βιολογικών διεργασιών στα ανώτερα θηλαστικά ρυθμίζεται από τη δράση των miRNAs σε μετα-μεταγραφικό επίπεδο.Το Μικροβίωμα διαμορφώνει τη γονιδιακή έκφραση του ξενιστή, αλλά οι υποκείμενοι μοριακοί μηχανισμοί της αλληλεπίδρασης αυτής παραμένουν ασαφείς. Προσφάτως έχει αναδειχθεί η ρύθμιση της έκφρασης των miRNAs αφενός ως κρίσιμο συστατικό της απόκρισης του ξενιστή σε μολύνσεις, αφετέρου δε ως στρατηγική που εκμεταλλεύονται οι μικροοργανισμοί για να χειραγωγήσουν μοριακά μονοπάτια του ξενιστή. Πρόσφατες μελέτες δείχνουν πως miRNAs του ξενιστή δύνανται να εισχωρήσουν σε μικροβιακούς οργανισμούς, επηρεάζοντας τη γονιδιακή τους έκφραση και κρίσιμες διεργασίες τους όπως το ρυθμό αύξησης.Στα πλαίσια της παρούσας Διατριβής, αναπτύχθηκε υπολογιστική μεθοδολογία για την ανάλυση δεδομένων Μεταγονιδιωματικής από πειράματα Αλληλούχησης Επόμενης Γενιάς. Η εν λόγω μεθοδολογία χρησιμοποιεί μία σειρά από αλγοριθμικές τεχνικές και δομές δεδομένων με σκοπό την ποσοτικοποίηση μικροοργανισμών σε δείγματα Shotgun metagenomics με δραματικά μειωμένες απαιτήσεις σε μνήμη RAM, εξαιρετικά υψηλή ταχύτητα και ακρίβεια που ξεπερνάει το state-of-the-art. Ταυτόχρονα, αναπτύχθηκε γραφικό περιβάλλον μέσω του οποίου προσφέρονται μία σειρά από στατιστικές αναλύσεις και επιλογές οπτικοποίησης για τα δεδομένα ποσοτικοποίησης που προέκυψαν από τα αναλυμένα δείγματα. Επίσης, σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε βάση δεδομένων που περιέχει πειραματικά υποστηριζόμενες συσχετίσεις μεταξύ βακτηρίων και ασθενειών. Η βάση δεδομένων περιέχει περισσότερες από 7900 συσχετίσεις, που αφορούν 43 ασθένειες και 1396 μικροοργανισμούς. Τέλος, πραγματοποιήθηκε ανάλυση δειγμάτων NGS (Shotgun metagenomics, small RNA-Seq) και αναπτύχθηκε υπολογιστική μεθοδολογία με σκοπό την εξαγωγή πιθανών στόχων των ανθρώπινων miRNAs σε γονίδια του Μικροβιώματός του. Για τις ανάγκες της μελέτης, έγινε χρήση βιοφυσικών και βιοχημικών κανόνων γενικής φύσεως που ισχύουν για τις RNA-RNA αλληλεπιδράσεις, όπως η προσβασιμότητα ακολουθίας-στόχου, η ενέργεια πρόσδεσης για τη δημιουργία του διμερούς και συνολικός αριθμός ταιριασμάτων και αναντιστοιχιών στην περιοχή πρόσδεσης.Κατά την εκπόνηση της Διδακτορικής μου Διατριβής, συμμετείχα σε 8 δημοσιευμένες εργασίες σε επιστημονικά περιοδικά υψηλού κύρους (μία παρουσίαση μεθοδολογίας ποσοτικοποίησης μικροοργανισμών, δύο εργασίες σχετικές με τη μελέτη της στόχευσης mRNAs/lncRNAs από miRNAs, μία παρουσίαση Βάσης Δεδομένων με συσχετίσεις της αφθονίας μικροβίων με ασθένειες, μία μεταγραφωματική μελέτη για τη διερεύνηση του μικροπεριβάλλοντος του καρκίνου με τεχνικές single-cell RNA-Seq, μία μεταγραφωματική μελέτη για τη διερεύνηση της τεχνικής ακτινοβόλησης όγκων FLASH, μία μεταγραφωματική μελέτη για τη διερεύνηση αλληλεπιδράσεων μεταξύ Ξενιστή-Λεϊσμάνιας και μία παρουσίαση Βάσης Δεδομένων με miRNAs διαγνωστικής/προγνωστικής αξίας). Έχω παρουσιάσει ερευνητικά αποτελέσματα σε 6 επιστημονικά συνέδρια και ημερίδες (4 εθνικά, 2 διεθνή), και έχω συμβάλει στη διοργάνωση του Πανευρωπαϊκού Συνεδρίου Βιοπληροφορικής ECCB 2018. Σύμφωνα με το Google Scholar οι εργασίες στις οποίες μετέχω έχουν λάβει μέχρι σήμερα 841 αναφορές.