Γενετικά ρυθμιστικά δίκτυα

Ένα  γενετικό ρυθμιστικό δίκτυο (Gene Regulatory Network- GRN) αποτελεί ένα σύνολο τμημάτων DNA στο εσωτερικό ενός κυττάρου, τα οποία αλληλεπιδρούν (έμμεσα) μεταξύ τους, μέσω των προϊόντων της έκφρασής τους, δηλαδή RNA ή πρωτεΐνες καθώς και με άλλα συστατικά του κυττάρου, επηρεάζοντας έτσι τον ρυθμό με τον οποίο τα γονίδια στο δίκτυο αυτό μεταγράφονται σε mRNA. Έτσι η δραστηριότητα των λειτουργικών προΐόντων ενός γονιδίου δεν επηρεάζεται μόνο από τους μεταγραφικούς παράγοντες και άλλους συμπαράγοντες που επηρεάζουν τη μεταγραφή αλλά και από την αποικοδόμηση πρωτεϊνών και μεταγράφων DNA καθώς και από τις μέτα-μεταφραστικές τροποποιήσεις των πρωτεϊνών.

Εισαγωγή

Τα γενετικά ρυθμιστικά δίκτυα διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο σε κάθε διαδικασία της ζωής ενός κυττάρου. H κυτταρική διαφοροποίηση, ο κυτταρικός μεταβολισμός, ο  κυτταρικός κύκλος και η  μεταγωγή σήματος, είναι κάποιες από τις διαδικασίες που απαιτούν απόλυτο συντονισμό της γενετικής έκφρασης. Η γονιδιακή έκφραση σε ορισμένες από αυτές τις βιολογικές διαδικασίες είναι περισσότερο ντετερμινιστική ενώ σε άλλες περισσότερο στοχαστική. Για παράδειγμα, στην κυτταρική διαφοροποίηση και στον κυτταρικό κύκλο, τα πρότυπα έκφρασης είναι πιο αυστηρά και έτσι μονάχα μερική απόκλιση απo την προκαθορισμένη γονιδιακή έκφραση είναι επιτρεπτή. Αντίθετα, στην απόκριση σε διαφόρων ειδών καταπονήσεις (στρες), η έκφραση των γονιδίων δεν είναι τόσο αυστηρή και μπορεί να μεταβάλλεται ανάλογα με τις υπάρχουσες συνθήκες τόσο μεταξύ διαφορετικών κυττάρων, όσο και μεταξύ διαφορετικών ατόμων. Η βιολογική ευρωστία και στοχαστικότητα δύναται να μελετηθούν στο επίπεδο της διαφορικής γονιδιακής έκφρασης μέσω των γενετικών ρυθμιστικών δικτύων.   
Η μελέτη των γενετικών ρυθμιστικών δικτύων αποτελεί σημαντικό πυλώνα ενός νέου κλάδου της επιστήμης που ονομάζεται  Βιολογία Συστημάτων. Μέσω υπολογιστικών-μαθηματικών μοντέλων μπορεί να γίνει πρόβλεψη της δράσης και της δομής τέτοιων δικτύων και να διευκολυνθεί η περαιτέρω μελέτη τους μέσω της βασικής έρευνας αλλά και βιοτεχνολογικών εφαρμογών. Η αποσαφήνιση των γενετικών ρυθμιστικών δικτύων έχει ώς στόχο την κατανόηση των μηχανισμών των διάφορων ασθενειών που οφείλονται στην απορρύθμιση των κυτταρικών διαδικασιών.

Κατασκευή - Μοντελοποίηση

Η κατασκευή ενός γενετικού ρυθμιστικού δικτύου  έχει ως στόχο την κατάδειξη των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των μορίων  που επηρεάζουν τη μεταγραφή και συχνά μοντελοποιείται ως ένα δίκτυο αποτελούμενο απο κόμβους (που αντιπροσωπεύουν γονίδια, πρωτεΐνες ή/και μεταβολίτες) και ακμές (που αντιπροσωπεύουν μοριακές αλληλεπιδράσεις μεταξύ πρωτεϊνών ή/και μεταξύ DNA και πρωτεϊνών ή άλλες έμμεσες σχέσεις μεταξύ γονιδίων).Η κατασκευή των γενετικών ρυθμιστικών δικτύων ενισχύθηκε ιδιαίτερα ύστερα απο τη πρόοδο που εμφάνισαν οι τεχνολογίες υψηλής απόδοσης, οι οποίες επέτρεψαν τη μέτρηση της συνολικής απόκρισης ενός βιολογικού συστήματος σε διάφορες περιπτώσεις. Για την κατασκευή τους, χρησιμοποιούνται δεδομένα από πειράματα γονιδιωματικής (genomics), μεταγραφομικής (transcriptomics), πρωτεομικής (proteomics) και μεταβολομικής (metabolomics) καθώς και πληροφορίες από τη διεθνή βιβλιογραφία όσον αφορά παλαιότερες μελέτες. Με τη χρήση κατάλληλων υπολογιστικών εργαλείων- προγραμμάτων επιτυγχάνεται η διαχείριση, η μελέτη, η ανάλυση και η οπτικοποίηση των διαφορετικών τύπων πληροφοριών. 
Τα υπολογιστικά μοντέλα που χρησιμοποιούνται στην ανάλυση των ρυθμιστικών δικτύων μπορούν να διακριθούν σε τρεις κατηγορίες, στα λογικά, στα συνεχή και στα στοχαστικά μοντέλα.

Τοπολογία

Η τοπολογία των γενετικών ρυθμιστικών δικτύων έχει αναλυθεί σε πολλά συστήματα. Στο επίπεδο της αρχιτεκτονικής και της τοπολογίας ενός δικτύου γίνονται διάφορες μετρήσεις, όπως ο βαθμός ενός κόμβου(εισερχόμενος, δηλαδή ο αριθμός των ακμών που ξεκινούν απο ένα κόμβο ή εξερχόμενος, δηλαδή ο αριθμός των ακμών που καταλήγουν σε ένα κόμβο), ο συντελεστής ομαδοποίησης, η μέση απόσταση και άλλα. Ενώ οι περισσότεροι κόμβοι εμφανίζουν μικρό βαθμό, υπάρχουν μερικοί που εμφανίζουν ιδιαίτερα μεγάλο βαθμό και ονομάζονται κεντρικοί κόμβοι. Αυτοί μπορεί να είναι είτε μεταγραφικοί παράγοντες που ρυθμίζουν πολλά γονίδια, είτε γονίδια που ρυθμίζονται απο πολλούς μεταγραφικούς παράγοντες. Σε κάθε περίπτωση, οι κεντρικοί κόμβοι θεωρούνται υψίστης σημασίας για την αρχιτεκτονική του δικτύου. Τα γενετικά ρυθμιστικά δίκτυα δεν είναι τυχαία, όπως αποδεικνύεται απο την ύπαρξη κεντρικών κόμβων. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός πως ο εξερχόμενος βαθμός ενός κόμβου ακολουθεί κατανομή νόμου δύναμης (power-law distribution) ενώ ο εισερχόμενος φαίνεται να είναι πλησιέστερος στην εκθετική κατανομή (exponential distribution) αν και η σημασία αυτής της διαφοράς δεν έχει ακόμα προσδιοριστεί. Τα γενετικά ρυθμιστικά δίκτυα μπορούν επίσης να αναλυθούν και σε επίπεδο υποδικτύων που περιλαμβάνουν μικρό αριθμό κόμβων. Αυτά μπορεί να περιλαμβάνουν βρόχους αυτορύθμισης, βρόχους ανάδρασης, βρόχους μετάδρασης και άλλες δομές. Στην περίπτωση που αυτές εμφανίζονται πιο συχνά απο το αναμενόμενο, αναφέρονται ως μοτίβα δικτύων. Επειδή εμφανίζονται συχνά, τα μοτίβα δικτύων πιθανά αντιπροσωπεύουν δομές που έψουν προσδώσει κάποια πλεονεκτήματα κατά τη διάρκεια της εξέλιξης.

Αναζήτηση δομικών ενοτήτων μέσω των Genetic Regulatory Networks

Μέσω των τεχνικών ανάλυσης των δεδομένων των υπαρχόντων γενετικών ρυθμιστικών δικτύων γίνεται επίσης και μια προσπάθεια ενοποίησης και ενσωμάτωσης τους, με σκοπό την ταυτοποίηση  βιολογικών “modules” (δομικά στοιχεία ή δομικές ενότητες). Αυτές οι δομικές ενότητες μπορεί να είναι ομάδες μορίων ή αλληλεπιδράσεων ή σε μοριακό επίπεδο ομάδες γονιδίων, γονιδιακών προϊόντων ή μεταβολιτών, οι οποίες μπορεί να είναι λειτουργικά συντονισμένες, να αλληλεπιδρούν με φυσικό τρόπο ή να ρυθμίζουν η μία την άλλη.  Υπάρχουν αρκετοί μέθοδοι εύρεσης δομικών ενοτήτων:

Ταυτοποίηση ενεργών δομικών ενοτήτων

Η ταυτοποίηση δομικών ενοτήτων που είναι ενεργές στο δίκτυο (μεταγραφικά, μεταβολικά κτλ) γίνεται με την υπέρθεση (overlay) δικτύων με δεδομένα από μοριακά πειράματα που ανήκουν στις ομικές τεχνολογίες (πρωτεομική, μεταγραφομική κτλ). Αυτές οι τεχνικές αποτυπώνουν κυτταρικές αποκρίσεις, οπότε είναι δυνατή η αναγνώριση περιοχών του δικτύου που έχουν αυξημένη δραστηριότητα (πχ έκφραση γονιδίων), ανάλογα με την κάθε συνθήκη άρα και ο εντοπισμός των δομικών ενοτήτων. Για την ανάλυση αυτή έχουν χρησιμοποιηθεί αρκετές υπολογιστικές μέθοδοι οι οποίες μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε τρεις κλάσεις: τις μεθόδους εύρεσης σημαντικών περιοχών των δικτύων (SigArSearch, Significant-area-search), τις μεθόδους που χρησιμοποιούν τεχνικές ανάλυσης διάχυσης ροής και διάδοσης δικτύων και τις μεθόδους που λειτουργούν με βάση την ταυτόχρονη ομαδοποίηση των αλληλεπιδράσεων του δικτύου και των συνθηκών που αυτές οι αλληλεπιδράσεις είναι ενεργές υπό τη σκοπιά της αμφι-ομαδοποίησης (biclustering).

Ταυτοποίηση συντηρημένων δομικών ενοτήτων

Υπάρχουν τρεις προσεγγίσεις για την ταυτοποίηση συντηρημένων δομικών ενοτήτων μεταξύ ειδών . Η πρώτη είναι μέσω στοίχισης δικτύων κατά ζεύγη, η οποία όμως επιτρέπει παράλληλες συγκρίσεις μόνο μεταξύ απλών ευθύγραμμων μονοπατιών ή υπό-δικτύων. Η δεύτερη είναι μέσω παράλληλης στοίχισης πολλών δικτύων. Η προσέγγιση αυτή έχει σταδιακά επεκταθεί και για σύγκριση μεταξύ παραπάνω από δύο δικτύων, αλλά έχει ακόμα προβλήματα με την αντιστοίχιση δομικών ενοτήτων. Αυτό συμβαίνει γιατί χρησιμοποιούνται αντιστοιχίσεις μεταξύ ορθόλογων γονιδίων από το κάθε είδος (με βάση την αλληλουχία), ενώ πολλά είδη έχουν αλληλουχίες που προέρχονται από διπλασιασμό γονιδίων, γεγονός που κάνει την ανάλυση αυτή πιο πολύπλοκη Η τελευταία προσέγγιση της ταυτοποίησης συντηρημένων δομικών ενοτήτων έχει να κάνει με στοίχιση δικτύων χρησιμοποιώντας στοιχεία εξελικτικής δυναμικής όπως γονιδιακές ενθέσεις, ελλείψεις ή διπλασιασμούς, κάτι που μπορεί να αποτυπώσει τις γενετικές τροποποιήσεις σε βάθος χρόνου.

Ταυτοποίηση διαφορικών δομικών ενοτήτων

Ένα μειονέκτημα των δικτύων ήταν ότι τα περισσότερα αποτύπωναν μία στατική κατάσταση του οργανισμού υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Αυτό όμως αποτύγχανε να αποτυπώσει τους πολύπλοκους μηχανισμούς που έχει το κύτταρο για να αντεπεξέλθει σε διαφορετικούς παράγοντες. Κάτι τέτοιο μπορεί να λυθεί αν γίνει μία στοίχιση μεταξύ δύο καταστάσεων του ίδιου δικτύου. Σε αυτού του τύπου τη στοίχιση μπορούν να αφαιρεθούν αλληλεπιδράσεις κόμβων που παραμένουν ίδιες μεταξύ των δύο καταστάσεων και να χρησιμοποιηθούν ως κατώφλι για την ανίχνευση δομικών ενοτήτων που διαφέρουν ανά την περίσταση, κάτι που μπορεί να βοηθήσει στην αναγνώριση ασθενών αλληλεπιδράσεων, οι οποίες δεν μπορούν να ανιχνευθούν από τα “στατικά” δίκτυα που προήλθαν από μία κατάσταση.

Ταυτοποίηση σύνθετων λειτουργικών δομικών ενοτήτων

Οι προσεγγίσεις για την ανάλυση δικτύων και αλληλεπιδράσεων, καθώς και για την ταυτοποίηση δομικών ενοτήτων συνήθως περιγράφουν μόνο ένα μέρος από την λειτουργική αρχιτεκτονική του κυττάρου, όπως αντιδράσεις μεταξύ δύο πρωτεϊνών ή μεταβολικών μονοπατιών. Για να γίνει καλύτερη η αποτύπωση όλων των σύνθετων διεργασιών που μπορεί να έχει μια δομική ενότητα ενός δικτύου πρέπει να ενοποιηθούν δεδομένα από βιολογικές αλληλεπιδράσεις πολλών τύπων σε ένα δίκτυο. Η ανακάλυψη σύνθετων λειτουργικών δομικών ενοτήτων μπορεί να βοηθήσει στην κατανόηση πολλών λειτουργιών του κυττάρου, όπως τις φυσικές και γενετικές αλληλεπιδράσεις ή την συσχέτιση μεταξύ μεταγραφικής ρύθμισης και παραγωγής μεταβολιτών.