Computational studies of protein aggregation for the diagnosis and treatment of amyloidoses
Authors: Αποστολάκου Αυγή-Έλενα 
Published: September 2024

Υπό μη-φυσιολογικές συνθήκες, πολλές πρωτεΐνες αδυνατούν να αποκτήσουν ή να διατηρήσουν τη φυσιολογική τους στερεοδιάταξη και οδηγούνται σε μία εναλλακτική, μη-φυσιολογική στερεοδιάταξη. Παρόλο που τα κύτταρα έχουν μηχανισμούς διατήρησης της πρωτεϊνικής ομοιόστασης, αυτοί μπορούν να αποτύχουν με αποτέλεσμα τη συσσώρευση λάθος διπλωμένων πρωτεϊνών. Οι λάθος διπλωμένες πρωτεΐνες μπορούν να συγκροτήσουν είτε άμορφα είτε οργανωμένα συσσωματώματα, με τα τελευταία να ονομάζονται αμυλοειδή ινίδια. Εύρος ασθενειών, γνωστών ως αμυλοειδώσεις, προκαλούνται από την εναπόθεση αμυλοειδών ινιδίων και αποτελούν υποκατηγορία των στερεοδιαταξικών ασθενειών. Παραδείγματα αμυλοειδώσεων συμπεριλαμβάνουν νευροεκφυλιστικές ασθένειες, όπως η νόσος του Alzheimer και η νόσος του Parkinson, ο διαβήτης τύπου 2 και η αμυλοείδωση της τρανσθυρετίνης. Τουλάχιστον 38 διαφορετικές πρωτεΐνες και πεπτίδια έχουν βρεθεί να συγκροτούνται σε παθολογικά αμυλοειδή στον άνθρωπο, είτε στη φυσική ή τη μεταλλαγμένη μορφή τους. Οι αμυλοειδείς εναποθέσεις που σχηματίζονται από αυτές τις αμυλοειδογόνες πρωτεΐνες μπορεί να περιέχουν άλλες πρωτεΐνες. Ο ρόλος αυτών των συνεναποτεθειμένων πρωτεϊνών στην ασθένεια είναι υπό διερεύνηση. Η πρωτεϊνική συσσωμάτωση μπορεί να επηρεαστεί από διάφορους παράγοντες, όπως το στρες ή οι μεταλλαγές, που προκαλούν το λάθος δίπλωμα και τη συσσώρευση ορισμένων πρωτεϊνών. Οι αμυλοειδογόνες πρωτεΐνες, ή πρωτεΐνες με τάση σχηματισμού αμυλοειδών ινιδίων, αποτελούν ένα μοναδικό σύνολο πρωτεϊνών που διαφέρουν τόσο στη φυσιολογική αλληλουχία όσο και στη φυσιολογική δομή τους, έχουν όμως παρόμοια μορφολογικά και δομικά χαρακτηριστικά στη μορφή των αμυλοειδών ινιδίων. Πειραματικές μελέτες έχουν δείξει ότι εντός της αλληλουχίας αυτών των πρωτεϊνών υπάρχουν μικρά πεπτιδικά τμήματα που χαρακτηρίζονται ως περιοχές με τάση προς συσσωμάτωση. Αυτές οι περιοχές βρίσκονται κρυμμένες εντός της πρωτεΐνης, αλλά όταν η πρωτεΐνη διπλώσει με λανθασμένο τρόπο μπορούν να γίνουν εκτεθειμένες και να οδηγήσουν στον σχηματισμό συσσωματωμάτων. Εφόσον αυτές οι περιοχές συμμετέχουν ενεργά κατά τη διάρκεια συγκρότησης των αμυλοειδών ινιδίων, είναι, επομένως, λογικό να συνδεθούν με τις αμυλοειδώσεις.Πολλές αμυλοειδώσεις, συμπεριλαμβανομένου της ιδιαίτερα μελετημένης νόσου του Alzheimer, στερούνται καλά καθορισμένα διαγνωστικά κριτήρια και έχουν λίγες ή καθόλου αποτελεσματικές θεραπείες. Δεδομένης της δυσκολίας και των περιορισμών στις ανθρώπινες μελέτες, οι ερευνητές συχνά βασίζονται σε οργανισμούς μοντέλα και in vitro πειράματα για να μελετήσουν αυτές τις ασθένειες. Υπολογιστικά εργαλεία και μελέτες προσφέρουν ανεκτίμητη καθοδήγηση για τέτοια πειράματα περιορίζοντας την πληθώρα στόχων. Βάσεις δεδομένων προσφέρουν εύκολη πρόσβαση σε έναν όλο και αυξανόμενο όγκο δεδομένων, όπως είναι οι γενετικοί πολυμορφισμοί ή οι μοριακές αλληλεπιδράσεις. Προγνωστικοί αλγόριθμοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό περιοχών με τάση προς συσσωμάτωση εντός των αλληλουχιών αμυλοειδογόνων πρωτεϊνών. Τα βιολογικά δίκτυα μπορούν να δώσουν μία εικόνα σε επίπεδο συστήματος απαραίτητη για τη μελέτη των περίπλοκων μηχανισμών ασθένειας, η οποία θα ήταν ανέφικτη χωρίς υπολογιστικές μεθόδους.Έμφαση δόθηκε στη μελέτη της νόσου του Alzheimer που αποτελεί την πιο κοινή μορφή άνοιας. Παθολογικά χαρακτηριστικά της νόσου είναι οι αμυλοειδείς πλάκες και τα νευροϊνιδιακά δεμάτια. Οι αμυλοειδείς πλάκες δημιουργούνται από την εξωκυτταρική εναπόθεση του αμυλοειδούς-β πεπτιδίου, το οποίο είναι προϊόν πρωτεολυτικής επεξεργασίας της πρόδρομης πρωτεΐνης του αμυλοειδούς-β (Amyloid Precursor Protein, APP). Τα νευροϊνιδιακά δεμάτια είναι ενδοκυτταρικά έγκλειστα της υπερφωσφορυλιωμένης σχετιζόμενης με μικροσωληνίσκους πρωτεΐνης Tau. Παρόλο που αναζητείται θεραπεία της νόσου για δεκαετίες, μόλις πρόσφατα εγκρίθηκαν νέα φάρμακα τα οποία, δυστυχώς, έχουν περιορισμένη απόδοση και σχετίζονται με σοβαρές παρενέργειες.Ένας πλούτος γνώσεων έχει συλλεχθεί για την πρωτεϊνική συσσωμάτωση και την αμυλοειδογονικότητα, και όμως, πολλές ερωτήσεις παραμένουν αναπάντητες. Επομένως, ο στόχος αυτής της διδακτορικής διατριβής που εκπονήθηκε στον Τομέα Βιολογίας Κυττάρου και Βιοφυσικής υπό την επίβλεψη της Αναπληρώτριας Καθηγήτριας Βασιλικής Οικονομίδου, ήταν να πραγματοποιηθούν υπολογιστικές μελέτες που θα βοηθήσουν στο να απαντηθούν κάποιες από τις υπάρχοντες ερωτήσεις σχετικά με την πρωτεϊνική συσσωμάτωση και την αμυλοειδογονικότητα. Η συστημική διερεύνηση των αμυλοειδογόνων πρωτεϊνών ή των πρωτεϊνών που σχετίζονται με την πρωτεϊνική συσσωμάτωση επιτεύχθηκε με τη χρήση υπολογιστικών μεθοδολογιών. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η ανάλυση βιολογικών δικτύων που χρησιμοποιήθηκε για να διερευνηθούν οι σχέσεις που διέπουν την αμυλοειδογονικότητα, να συγκριθούν οι μοριακοί μηχανισμοί που σχετίζονται με ασθένεια σε άνθρωπο και οργανισμό μοντέλο, και να προσδιοριστούν υποσχόμενα φάρμακα και στόχοι φαρμάκων. Ο απώτερος στόχος της διατριβής ήταν, μέσω της υπολογιστικής μελέτης των αμυλοειδογόνων πρωτεϊνών και των μηχανισμών συσσωμάτωσης, να συμμετέχει μαζί με πειραματικές προσεγγίσεις στη διάγνωση και θεραπεία των αμυλοειδώσεων.Τα αποτελέσματα αυτής της διδακτορικής διατριβής έχουν χωριστεί σε πέντε θέματα, με κάθε θέμα να αντιστοιχεί σε μία δημοσιευμένη, κατατεθειμένη ή έτοιμη για κατάθεση επιστημονική εργασία.Αμυλοειδογόνες πρωτεΐνες και πολυμορφισμοίΗ πρωτεϊνική συσσωμάτωση και ο σχηματισμός αμυλοειδών είναι δύο διαδικασίες που επηρεάζονται σημαντικά από αλλαγές στην πρωτεϊνική αλληλουχία. Κάποιες αμυλοειδώσεις έχουν συσχετιστεί με συγκεκριμένες μεταλλαγές, όπως η καλά μελετημένη αμυλοείδωση της τρανσθυρετίνης. Όμως, καμία μελέτη δεν είχε πραγματοποιηθεί στο σύνολο των μεταλλαγών ή πολυμορφισμών όλων των αμυλοειδογόνων πρωτεϊνών. Για να καλυφθεί αυτό το κενό, πραγματοποιήθηκε μία μελέτη για να εξεταστεί η επίδραση των μονονουκλεοτιδικών πολυμορφισμών (single nucleotide polymorphisms, SNPs) στις αμυλοειδογόνες πρωτεΐνες. Οι SNPs είναι γενετικοί πολυμορφισμοί που αντιστοιχούν σε αλλαγή μίας νουκλεοτιδικής βάσης στο DNA και τυπικά πρέπει να έχουν πάνω από 1% συχνότητα στο δεδομένο πληθυσμό. Οι SNPs μπορούν να κατηγοριοποιηθούν βάσει της επίδρασης τους στην παραγόμενη πρωτεΐνη. Στην παρούσα διατριβή, το επίκεντρο ήταν οι μη-συνώνυμοι SNPs (msSNPs) που οδηγούν σε αντικατάσταση ενός αμινοξικού καταλοίπου.Για αυτή τη μελέτη, συλλέχθηκαν όλες οι γνωστές αμυλοειδογόνες πρωτεΐνες του ανθρώπου. Από την AmyCo, μία καλά σχολιασμένη συλλογή αμυλοειδώσεων, ληφθήκαν οι πρωτεΐνες χαρακτηρισμένες ως πρόδρομες (precursor). Αυτή η λίστα συμπληρώθηκε με τις αμυλοειδογόνες πρωτεΐνες από την πιο πρόσφατη επίσημη λίστα της Διεθνούς Ένωσης των Αμυλοειδώσεων (International Society of Amyloidosis, ISA). Αποκλείστηκαν φαρμακευτικά προϊόντα που δεν αντιστοιχούν σε πρωτεΐνες του ανθρώπου και οι ανοσοσφαιρίνες που ποικίλουν σε επίπεδο αλληλουχίας. Μετά, η συλλογή των msSNPs που βρίσκονται σε αυτές τις πρωτεΐνες έγινε από τρεις βάσεις δεδομένων, τη UniProt, τη ClinVar και τη dbSNP. Τα δεδομένα αυτά χαρτογραφήθηκαν στην κανονική σύμφωνα με τη UniProt πρωτεϊνική αλληλουχία και οι διπλές εγγραφές αφαιρέθηκαν. Όλοι οι SNPs κατηγοριοποιήθηκαν σύμφωνα με μία ενιαία ορολογία ως Παθολογικοί, Ουδέτεροι ή Μη χαρακτηρισμένοι, ανάλογα με τη συσχέτιση τους με ασθένειες. Ακόμα, απομονώθηκαν οι πολυμορφισμοί που σχετίζονται ειδικά με αμυλοειδώσεις και σχετικούς φαινότυπους και δημιουργήθηκε ένα υποσύνολο για περαιτέρω μελέτη. Έπειτα, για να διερευνηθεί το πώς οι msSNPs μπορούν να επιδράσουν στην πρωτεϊνική συσσωμάτωση, οι περιοχές με τάση προς συσσωμάτωση της κάθε πρωτεΐνης προβλέφθηκαν χρησιμοποιώντας το AMYLPRED2, μία συναινετική μέθοδο πρόγνωσης αμυλοειδογόνων καθοριστών από την πρωτεϊνική αλληλουχία.Πραγματοποιήθηκαν οι κατάλληλες ανά περίπτωση στατιστικές αναλύσεις χρησιμοποιώντας τρεις μεθοδολογίες. Πρώτα, ο στατιστικός έλεγχος Χ2 χρησιμοποιήθηκε για να βρεθεί αν η κατηγοριοποίηση ενός msSNP σχετίζεται με τη θέση του εντός ή εκτός περιοχών με τάση προς συσσωμάτωση. Όντως, φάνηκε ότι οι περιοχές με τάση προς συσσωμάτωση εμφανίζουν μεγαλύτερο ποσοστό παθολογικών msSNPs. Όμως, αυτή η διαφορά ήταν στατιστικά σημαντική (p<0.05) μόνο για το σύνολο των σχετιζόμενων με αμυλοειδώσεις msSNPs. Σε επόμενο βήμα, έγινε λογιστική παλινδρόμηση για να διερευνηθεί αν οι αμινοξικές αντικαταστάσεις που προκαλούν αλλαγή των βιοφυσικών ιδιοτήτων (π.χ., πολικό σε μη-πολικό) σχετίζονται με το χαρακτηρισμό των msSNPs σε σχέση με ασθένειες. Κυρίως φάνηκε ότι η αλλαγή αρνητικά φορτισμένου καταλοίπου από μη-αρνητικά φορτισμένο κατάλοιπο ήταν πιο πιθανό να είναι παθολογική, γεγονός που ενδέχεται να σχετίζεται με την ιδιότητα αρνητικών καταλοίπων να δρουν ως αναστολής της πρωτεϊνικής συσσωμάτωσης. Έπειτα, για να υπολογιστεί η στατιστική σημαντικότητα κάθε πιθανής αμινοξικής αντικατάστασης, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος bootstrap για να προσομοιωθεί αύξηση των υπαρχόντων δεδομένων με ένα τυχαίο και μη-μεροληπτικό τρόπο. Εντός του συνόλου των παθολογικών msSNPs που βρίσκονται σε περιοχές με τάση προς συσσωμάτωση, εμφανίστηκαν ως πιο συχνές οι αντικαταστάσεις γλουταμικού οξέος από λυσίνη, αργινίνη από ιστιδίνη και λευκίνη από προλίνη. Τέλος, η νόσος του Alzheimer και η πρωτεΐνη APP χρησιμοποιήθηκαν ως παράδειγμα μελέτης για να αναδειχθεί πως οι msSNPs επηρεάζουν τη συσσωμάτωση. Ενδιαφέρον είχε το γεγονός ότι πολλοί πολυμορφισμοί μετέβαλαν την αλληλεπίδραση της APP με άλλες πρωτεΐνες, συγκεκριμένα πρωτεολυτικά ένζυμα επεξεργασίας της.Τα αποτελέσματα αυτά έχουν παρουσιαστεί σε συνέδρια και μία επιστημονική εργασία έχει προετοιμαστεί. (Galanis, F. P., Apostolakou, A. E., et al., In silico study of missense SNPs on Amyloidogenic Proteins)Δίκτυο αμυλοειδώσεωνΠέρα από το κοινό στοιχείο της εναπόθεσης αμυλοειδών, οι αμυλοειδώσεις και άλλες σχετικές ασθένειες ποικίλουν τόσο στην εμφάνιση όσο και στη βιολογία τους αλλά έχουν και κοινά χαρακτηριστικά. Μελέτες αυτών των ασθενειών είναι συνήθως περιορισμένες σε μία ή λίγες από αυτές, για αυτό πραγματοποιήθηκε μία μελέτη που αφορά το σύνολό τους σε προσπάθεια να βρεθούν κοινά στοιχεία ανάμεσα στους μοριακούς μηχανισμούς των ασθενειών. Αυτή μπορεί να βοηθήσει να βρεθεί λύση στο ότι οι περισσότερες αμυλοειδώσεις και άλλες ασθένειες που σχετίζονται με την εναπόθεση αμυλοειδών έχουν περιορισμένες θεραπευτικές επιλογές. Η ανάπτυξη φαρμάκων είναι μία χρονοβόρος και δαπανηρή διαδικασία και για αυτό χρησιμοποιούνται στρατηγικές αντιμετώπισης αυτών των εμποδίων. Το πρόβλημα εντείνεται όσον αφορά τις σπάνιες παθήσεις που θίγουν μικρό αριθμό ατόμων και υπάρχουν περιορισμένα εφόδια για τη μελέτη τους. Μία υποσχόμενη προσέγγιση για την εύρεση φαρμάκων σε συντομότερα χρονικά πλαίσια και με χαμηλότερο κόστος είναι η επαναστόχευση φαρμάκων. Μέσω αυτής βρίσκονται καινούργιες εφαρμογές για ήδη υπάρχοντα φάρμακα πέρα του αρχικού τους στόχου. Σε αυτή την εργασία κατασκευάστηκε ένα δίκτυο αμυλοειδώσεων και άλλων ασθενειών που σχετίζονται με την εναπόθεση αμυλοειδών. Έμφαση δόθηκε στις πρωτεΐνες που βρίσκονται στις εναποθέσεις της κάθε ασθένειας, αμυλοειδογόνες και συνεναποτεθειμένες, οι οποίες συλλέχθηκαν από την AmyCo. Αυτό το σύνολο ανανεώθηκε μετά από ενδελεχή βιβλιογραφική αναζήτηση, με αποτέλεσμα την προσθήκη μίας ασθένειας. Για κάθε πρωτεΐνη του συνόλου, συλλέχθηκαν οι 100 πρώτοι γείτονες με την καλύτερη βαθμολογία από τη βάση δεδομένων πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων STRING. Φάρμακα που στοχεύουν σε κάποια από τις πρωτεΐνες του συνόλου συλλέχθηκαν από τη βάση DrugBank που περιέχει δεδομένα για φάρμακα και στόχους φαρμάκων. Από αυτή τη βάση βρέθηκαν και όλα τα φάρμακα που σχετίζονται με τις υπό μελέτη ασθένειες. Συγκροτήθηκε ένα δίκτυο συσχετίσεων μεταξύ ασθενειών, πρωτεϊνών και φαρμάκων το οποίο οπτικοποιήθηκε μέσω του ελεύθερα διαθέσιμου εργαλείου Cytoscape. Τέλος, έγινε βιβλιογραφική αναζήτηση για ήδη υπάρχουσες συσχετίσεις μεταξύ ασθενειών και φαρμάκων και αναγνωρίστηκαν υποσχόμενα φάρμακα και στόχοι τους για τη θεραπεία των αμυλοειδώσεων.Μελετήθηκαν συνολικά 76 ασθένειες που είναι αμυλοειδώσεις ή σχετίζονται με την εναπόθεση αμυλοειδών. Το δίκτυο ήταν ισχυρά συνδεδεμένο, με μόνο τέσσερις ασθένειες να είναι μεμονωμένες. Βρέθηκαν οι κεντρικές πρωτεΐνες στο δίκτυο των ασθενειών και των πρωτεϊνών που σχετίζονται άμεσα με αυτές, δηλαδή οι πρόδρομες και συνεναποτεθειμένες πρωτεΐνες. Αυτές αντιστοιχούσαν σε δύο πρωτεΐνες υπογραφής αμυλοειδών εναποθέσεων (amyloid signature proteins) και στις δύο πρωτεΐνες του αμυλοειδούς Α του ορού που σχετίζονται με πληθώρα φλεγμονωδών νόσων όπου μπορεί να εμφανιστεί δευτερογενής αμυλοείδωση. Το ολικό δίκτυο ασθενειών-πρωτεϊνών-φαρμάκων αποτελούνταν συνολικά από 76 ασθένειες, 768 πρωτεΐνες και 1,414 φάρμακα. Λιγότερες από τις μισές ασθένειες έχουν διαθέσιμα φάρμακα αλλά πολλές από τις υπόλοιπες σχετίζονται έμμεσα με φάρμακα. Επομένως, ίσως υπάρχει δυνατότητα επαναστόχευσης φαρμάκων για τη θεραπεία τους. Εντός του δικτύου βρέθηκαν σημαντικοί στόχοι φαρμάκων και φάρμακα που στοχεύουν σε αυτούς όπως είναι οι συζευγμένοι με G-πρωτεΐνες υποδοχείς (G-protein coupled receptors, GPCRs) και οι πρωτεϊνικές κινάσες. Τέλος, τα ευρήματα από αυτό το δίκτυο μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να καθοδηγήσουν πειραματικές μελέτες για την εύρεση θεραπειών για τις αμυλοειδώσεις. Τα αποτελέσματα αυτά έχουν παρουσιαστεί σε συνέδρια και μία επιστημονική εργασία έχει προετοιμαστεί. (Rizou, A. E. I., Nasi, G. I., Apostolakou, A. E., et al., Integrated network-based analysis of diseases associated with amyloid deposition through a disease-protein-drug network.)Η νόσος του Alzheimer και οι Συζευγμένοι με G-πρωτεΐνες υποδοχείςΜία από τις πιο σημαντικές πρωτεϊνικές οικογένειες ως θεραπευτικοί στόχοι είναι οι GPCRs. Αποτελούν τη μεγαλύτερη οικογένεια ευκαρυωτικών μεμβρανικών υποδοχέων και είναι υπεύθυνοι για φυσιολογικές λειτουργίες, όπως η όραση, η όσφρηση και η νευροδιαβίβαση. Θεωρούνται ως ιδανικοί στόχοι φαρμάκων και έχουν συσχετιστεί με διάφορες ασθένειες, συμπεριλαμβανομένης και της νόσου του Alzheimer. Σε αυτή τη μελέτη διερευνήθηκε υπολογιστικά η σχέση των GPCRs και της νόσου του Alzheimer. Πρώτα, κατασκευάστηκε το ανθρώπινο σηματοδοτικό δίκτυο των GPCRs και δημιουργήθηκε μία διαδικτυακή εφαρμογή που επιτρέπει την εξερεύνησή του. Αυτή η εφαρμογή, που ονομάστηκε hGPCRnet, χρησιμοποιήθηκε για να μελετηθούν τα μονοπάτια των μουσκαρινικών υποδοχέων ακετυλοχολίνης που είναι γνωστό ότι σχετίζονται με τη νόσο του Alzheimer. Τελικά, βρέθηκαν πρωτεΐνες που είναι πιθανοί στόχοι για τη θεραπεία της νόσου, όπως είναι οι σηματοδοτικές πρωτεΐνες που βρίσκονται αποκλειστικά στο μονοπάτι του Μ1 ή του Μ2 υποδοχέα ακετυλοχολίνης.Τα αποτελέσματα αυτά έχουν δημοσιευθεί σε περιοδικό με σύστημα κριτών. (Apostolakou, A. E., Baltoumas, F. A., Stravopodis, D. J., & Iconomidou, V. A. (2020). Extended Human G-Protein Coupled Receptor Network: Cell-Type-Specific Analysis of G-Protein Coupled Receptor Signaling Pathway. Journal of proteome research, 19(1), 511–524. https://doi.org/10.1021/acs.jproteome.9b00754)Η νόσος του Alzheimer και η επαναστόχευση φαρμάκωνΜία από τις πιο καλά μελετημένες αμυλοειδώσεις είναι η νόσος του Alzheimer που χαρακτηρίζεται από την εναπόθεση του αμυλοειδούς-β σε αμυλοειδείς πλάκες. Πολλές προσπάθειες εύρεσης θεραπείας για τη νόσο έχουν εστιαστεί στο κύριο συστατικό των αμυλοειδών πλακών, αλλά λίγοι έχουν ασχοληθεί με τις συνεναποτεθειμένες πρωτεΐνες. Παρόλο που κάποιες από αυτές έχουν άγνωστο ως τώρα ρόλο, άλλες έχει δειχθεί ότι επηρεάζουν τον σχηματισμό αμυλοειδών και την πρόοδο της ασθένειας, όπως η μοριακή συνοδός κλαστερίνη και η απολιποπρωτεΐνη Ε. Ο στόχος αυτής της εργασίας ήταν να προσδιοριστεί αν αυτές οι πρωτεΐνες είναι πιθανοί θεραπευτικοί στόχοι και αν υπάρχοντα φάρμακα που στοχεύουν σε αυτές μπορούν να επαναστοχευθούν.Οι πρωτεΐνες που βρίσκονται στις αμυλοειδείς πλάκες συλλέχθηκαν από την AmyCo. Οι πρωτεΐνες με τις οποίες αλληλεπιδρούν άμεσα (πρώτοι γείτονες) αναζητήθηκαν στην IntAct, βάση πειραματικά επιβεβαιωμένων μοριακών αλληλεπιδράσεων. Έπειτα, τα φάρμακα που στοχεύουν στις πρωτεΐνες που βρίσκονται στις αμυλοειδείς πλάκες βρέθηκαν μέσω της DrugBank. Επιπρόσθετα, τα εγκεκριμένα φάρμακα από τον FDA για χρήση στη νόσο του Alzheimer και οι πρωτεΐνες που στοχεύουν συλλέχθηκαν από τη DrugBank. Δημιουργήθηκε το δίκτυο αλληλεπιδράσεων φαρμάκων και πρωτεϊνών που σχετίζονται με τις αμυλοειδείς πλάκες και συγκρίθηκαν με τις υπάρχουσες θεραπείες. Τέλος, έγινε βιβλιογραφική ανασκόπηση για τη συλλογή πληροφοριών σχετικά με τα φάρμακα του δικτύου που θα μπορούσαν να επαναστοχευθούν για χρήση στη νόσο του Alzheimer.Συνολικά βρέθηκαν 12 πρωτεΐνες στις αμυλοειδείς πλάκες, συμπεριλαμβανομένης της APP. Αυτές αλληλεπιδρούν με παραπάνω από 500 πρωτεΐνες και 72 φάρμακα για να σχηματίσουν ένα μεγάλο συνδεδεμένο δίκτυο. Μόνο μία συνεναποτεθειμένη πρωτεΐνη δεν στοχεύεται από φάρμακο, ενώ η APP ήταν η κύρια πρωτεΐνη στόχος φαρμάκων. Μάλιστα, τα μόνα φάρμακα εντός του δικτύου που είναι εγκεκριμένα για χρήση στη νόσο ήταν δύο μονοκλωνικά αντισώματα έναντι του β-αμυλοειδούς. Τα υπόλοιπα φάρμακα για τη νόσο χρησιμοποιούνται κυρίως για την ανακούφιση των συμπτωμάτων και επομένως δε στοχεύουν την αιτία της νόσου. Όμως, υπάρχουν πολλά φάρμακα που στοχεύουν τις πρωτεΐνες που βρίσκονται στις αμυλοειδείς πλάκες, τα οποία ίσως είναι χρήσιμα για την αντιμετώπιση της νόσου του Alzheimer, και έπειτα από βιβλιογραφική ανασκόπηση συγκροτήθηκε μία λίστα 28 υποσχόμενων φαρμάκων για περαιτέρω εξερεύνηση. Από αυτά, τα 15 έχουν γνωστές συσχετίσεις με τη νόσο και σχετιζόμενες διεργασίες, ενώ τα υπόλοιπα 13 δεν έχουν καλά γνωστή σχέση με τη νόσο. Αυτά τα προτεινόμενα φάρμακα δεν έχουν προταθεί από παρόμοιες προηγούμενες μελέτες, επιβεβαιώνοντας την πρωτοπορία της προσέγγισης. Τα αποτελέσματα αυτά έχουν παρουσιαστεί σε συνέδρια και μία επιστημονική εργασία έχει προετοιμαστεί. (Apostolakou, A. E., et al., Co-deposited proteins in Alzheimer's disease as a potential treasure trove for drug repurposing.)Η νόσος του Alzheimer και ο Caenorhabditis elegansΗ νόσος του Alzheimer χαρακτηρίζεται από τις αμυλοειδείς πλάκες και τα νευροϊνιδιακά δεμάτια. Άλλες βιολογικές διεργασίες που έχουν συσχετισθεί με τη νόσο συμπεριλαμβάνουν το οξειδωτικό στρες, τη φλεγμονή και τη νευροδιαβίβαση. Ακόμα, υπάρχουν ενδείξεις ότι οι σχετικές με τη νόσο διεργασίες είναι διασυνδεδεμένες και υπάρχουν διάφοροι ανατροφοδοτικοί βρόχοι που συνδέουν και ρυθμίζουν τα διάφορα μονοπάτια. Για τη μελέτη των διεργασιών που διέπουν ασθένειες του γήρατος, όπως είναι η νόσος του Alzheimer, απαιτείται η χρήση οργανισμών μοντέλων λόγω των ηθικών περιορισμών, της μακράς διάρκειας ζωής του ανθρώπου και της αργής προόδου της ασθένειας. Διάφοροι οργανισμοί έχουν χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη της νόσου του Alzheimer όπως: Caenorhabditis elegans (νηματώδης σκώληκας), Mus musculus (ποντίκι) and Drosophila melanogaster (φρουτόμυγα). Το πόσο κατάλληλος είναι ένας οργανισμός για τη μοντελοποίηση μίας νόσου εξαρτάται εν μέρει από το πόσο παρόμοιες είναι οι σχετικές πρωτεΐνες και τα μονοπάτια μεταξύ μοντέλου και ανθρώπου. Προσεγγίσεις βιολογίας συστημάτων, όπως τα δίκτυα πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων, μπορούν να αποκαλύψουν τις ομοιότητες και τις διαφορές σε μονοπάτια που σχετίζονται με τη νόσο μεταξύ ανθρώπου και του οργανισμού που επιλέχθηκε για τη μελέτη.Χρησιμοποιήθηκαν υπολογιστικές μέθοδοι για τη μελέτη της νόσου του Alzheimer και των σχετιζόμενων αμυλοειδογόνων πρωτεϊνών, APP και Tau. Πιο συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκαν συγκρίσεις των σχετικών με τη νόσο μονοπατιών μεταξύ Homo sapiens και C. elegans. Πρώτα, κατασκευάστηκαν δίκτυα για τους δύο οργανισμούς με δεδομένα πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων από βάσεις, όπως η STRING και η IntAct. Πληροφορίες για τις πρωτεΐνες του C. elegans και αντίστοιχες ορθόλογες πρωτεΐνες του ανθρώπου αναζητήθηκαν στη WormBase, βάση για τη βιολογία των νηματόδων σκωλήκων, και μέσω του εργαλείου ορθολογίας OrthoList2. Τα δίκτυα οπτικοποιήθηκαν μέσω του Cytoscape και συγκρίθηκαν χρησιμοποιώντας αλγορίθμους στοίχισης δικτύων. Συνολικά πραγματοποιήθηκαν τρεις προσεγγίσεις, μία για την επιλογή του καλύτερου αλγορίθμου, μία για επιβεβαίωση και τέλος μία μη-μεροληπτική. Τελικά, βρέθηκαν καλά συντηρημένες πρωτεΐνες και μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις που σχετίζονταν με την επεξεργασία της APP και με τη φωσφορυλίωση της Tau. Σημαντική είναι η έλλειψη πληροφοριών για τις αλληλεπιδράσεις στον οργανισμό μοντέλο, για τις περισσότερες εκ των οποίων δε βρέθηκαν πληροφορίες στη βιβλιογραφία. Επομένως, προτείνονται διάφορες σχετικές με τη νόσο πρωτεΐνες και αλληλεπιδράσεις για περαιτέρω πειραματική μελέτη. Για τη διευκόλυνση αυτής της διαδικασίας δημιουργήθηκε μία διαδικτυακή εφαρμογή.Τα αποτελέσματα αυτά έχουν δημοσιευθεί σε περιοδικό με σύστημα κριτών. (Apostolakou, A. E., Sula, X. K., Nastou, K. C., Nasi, G. I., & Iconomidou, V. A. (2021). Exploring the conservation of Alzheimer-related pathways between H. sapiens and C. elegans: a network alignment approach. Scientific reports, 11(1), 4572. https://doi.org/10.1038/s41598-021-83892-9)ΣυμπεράσματαΣτα πλαίσια αυτής της διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκαν μελέτες που αφορούσαν το σύνολο των αμυλοειδογόνων πρωτεϊνών του ανθρώπου, καθώς και μελέτες που επικεντρώθηκαν στη νόσο του Alzheimer. Μέσω της χρήσης υπολογιστικών μεθόδων και εργαλείων έγινε ανάλυση σχετικών δεδομένων από βάσεις δεδομένων και τη βιβλιογραφία, όπως δεδομένων γενετικών πολυμορφισμών ή μοριακών αλληλεπιδράσεων. Οι εργασίες μπορούν να επεκταθούν περαιτέρω μέσω υπολογιστικών μεθόδων, για παράδειγμα δομική μελέτη πολυμορφισμών, σύγκριση δικτύων σχετικά με τη νόσο του Alzheimer ανθρώπου και άλλων οργανισμών μοντέλων, καθώς και μελέτη άλλων ασθενειών που σχετίζονται με την πρωτεϊνική συσσωμάτωση. Ακόμα, τα αποτελέσματα πρέπει να επιβεβαιωθούν πειραματικά και για αυτό το λόγο προτείνονται διάφοροι στόχοι μελέτης, όπως φάρμακα που μπορούν να επαναστοχευθούν και αλληλεπιδράσεις του οργανισμού μοντέλου C. elegans. Τέλος, για τη διευκόλυνση μελλοντικών ερευνών, η πλειοψηφία των τελικών δεδομένων είναι διαθέσιμη μέσω διαδικτυακών εφαρμογών.