Ανάπτυξη και εφαρμογή μεθοδολογιών για την ανάλυση και την οπτικοποίηση ομικών δεδομένων που αφορούν στην κυτταρική γήρανση και το μεταβολικό σύνδρομο

Abstract

In recent years rapid technological advances have led to new experimental and computational high-throughput quantitative methodologies, resulting in the accumulation of a great volume of valuable experimental high-dimentionality data. New high-throughput, omic analysis technologies at the genomic, transcriptomic, proteomic and metabolic levels provide the possibility for detailed functional analysis of molecular pathways involved in different biological phenomena and at different biological levels to aid in the elucidation of the affected biological networks. The main goal of systems biology is the integration of information from different experiments at different biological levels, to achieve a holistic understanding of complex phenotypes, caused by different changes in the biological systems that are in constant interaction. In the first part of this thesis we developed an analytical methodology for transcriptomic data, in order to create and compare models of gene expression and cell signaling during replicative and stress-induced premature senescence in primary fibroblasts. The experimental design involved more timepoints between young and aged cells, to aid in the study of the different stages of cellular senescence. Common or unique pathways and genes that are perturbed in the different time points and types of cellular senescence were identified and prioritized. Cellular senescence is implicated in biological aging and has been associated with a variety of diseases, among which are coronary and metabolic diseases, such as obesity and type 2 diabetes. In the second part of the thesis we developed a fully automated and reproducible workflow for genomic and transcriptomic data analysis, using Docker software containerization technology. The workflow was applied on data of high-fat diet induced obesity and metabolic syndrome in Collaborative Cross (CC) mice. The CC panel is a genetic reference panel of recombinant inbred lines, derived from eight different founder strains. It is an experimental population developed for the analysis of the genetic basis of complex traits, such as the metabolic syndrome and it aids in the mapping of quantitative trait loci involved in the trait with higher precision and has been the catalyst for the development of a variety of bioinformatics tools. The QTL mapping results were further enhanced through integration of RNA sequencing data to identify changes in gene expression between different groups. Sex-specific pathways and genes that affect predisposition to and response to obesity were identified and prioritized.

Τα τελευταία χρόνια, ραγδαίες τεχνολογικές εξελίξεις έχουν διαμορφώσει πειραματικές και υπολογιστικές μετρητικές τεχνολογίες υψηλής απόδοσης με συνακόλουθη συγκέντρωση μεγάλου όγκου πολύτιμων πειραματικών δεδομένων μεγάλης διαστασιμότητας, προερχόμενων από διαφορετικά ιεραρχικά επίπεδα βιολογικής οργάνωσης. Νέες ομικές τεχνολογίες υψηλής απόδοσης στο επίπεδο της γονιδιωματικής, της μεταγραφομικής, της πρωτεομικής και της μεταβολομικής ανάλυσης παρέχουν τη δυνατότητα για λεπτομερή λειτουργική ανάλυση των μοριακών μονοπατιών που εμπλέκονται στα διαφορετικά βιολογικά φαινόμενα και σε επάλληλα οργανωσιακά επίπεδα μοριακής περιγραφής, για τον προσδιορισμό των βιολογικών δικτύων που αλλάζουν. Οι προκλήσεις που εισηγείται η συνθετική ερμηνεία των ροών πληροφορίας που συνθέτουν την φαινοτυπική περιγραφή, αναδεικνύουν τα ελλείματα και περιορισμούς της αποσπασματικής μελέτης αυτών των μηχανισμών. Στόχο της συστημικής βιολογίας αποτελεί η σύνθεση της πληροφορίας που προέρχεται από διαφορετικά πειράματα σε διαφορετικά επίπεδα οργάνωσης, για να επιτευχθεί η ολιστική κατανόηση πολύπλοκων φαινομένων, που προκαλούνται από την επίδραση διαφορετικών αλλαγών του βιολογικού συστήματος, οι οποίες βρίσκονται σε αλληλεπίδραση μεταξύ τους. Στο πρώτο μέρος της παρούσας διατριβής αναπτύχθηκε μια μεθοδολογία ανάλυσης μεταγραφικών δεδομένων, με στόχο τη δημιουργία και τη σύγκριση μοντέλων της γονιδιακής έκφρασης και της κυτταρικής σηματοδότησης κατά την αναδιπλασιαστική κυτταρική γήρανση και την πρόωρη κυτταρική γήρανση λόγω πρωτεασωμικής αναστολής σε πρωτογενή καλλιέργεια ανθρώπινων ινοβλαστών. Ο πειραματικός σχεδιασμός περιλάμβανε περισσότερα χρονικά σημεία μεταξύ των νεαρών και των γηρασμένων κυττάρων σε σχέση με αυτά που είναι διαθέσιμα στην υπάρχουσα βιβλιογραφία για να μελετηθούν πιο αναλυτικά τα διαφορετικά στάδια εξέλιξης του φαινομένου της κυτταρικής γήρανσης. Αναδείχθηκαν, κοινά ή μοναδικά γονίδια και μονοπάτια που επηρεάζονται στα διαφορετικά στάδια και τύπους κυτταρικής γήρανσης. Η κυτταρική γήρανση σχετίζεται με τη βιολογική γήρανση των οργανισμών και έχει συσχετιστεί με την εκδήλωση ενός ευρύτατου φάσματος ασθενειών και παθήσεων, μεταξύ των οποίων βρίσκονται τα καρδιαγγειακά και τα μεταβολικά νοσήματα, όπως η παχυσαρκία και ο διαβήτης τύπου 2. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής, η μεθοδολογία ανάλυσης συνδυάστηκε με μια αλγοριθμική ροή γονιδιωματικής και μεταγραφομικής ανάλυσης, με αξιοποίηση της τεχνολογίας εγκιβωτισμού Docker. Η αλγοριθμική ροή εφαρμόστηκε σε δεδομένα εμφάνισης μεταβολικού συνδρόμου μετά από έκθεση σε δίαιτα πλούσια σε λιπαρά στην Collaborative Cross (CC) σειρά ποντικιών, η οποία αποτελεί ένα πολυγονικό γενετικό πάνελ αναφοράς (genetic reference panel, GRP) ανασυνδυασμένων ομόμεικτων σειρών ποντικιών (recombinant inbred lines, RIL) που προέρχονται από οχτώ διαφορετικές ιδρυτικές προγονικές σειρές. Το CC πάνελ αποτελεί έναν πειραματικό πληθυσμό που έχει αναπτυχθεί για την ανάλυση γενετικών μηχανισμών προδιάθεσης σε σύνθετα γνωρίσματα, όπως το μεταβολικό σύνδρομο. Δίνει τη δυνατότητα χαρτογράφησης γονιδιακών τόπων ποσοτικών φαινοτύπων (quantitative trait loci, QTL) που εμπλέκονται στην προδιάθεση ή την αντίσταση στο γνώρισμα με υψηλή ακρίβεια και έχει λειτουργήσει καταλυτικά για την ανάπτυξη πληθώρας βιοπληροφορικών εργαλείων. Τα QTL αποτελέσματα ενισχύθηκαν μέσω της σύνθεσης δεδομένων αλληλούχισης RNA για την ταυτοποίηση διαφορών στη γονιδιακή έκφραση μεταξύ των διαφορετικών ομάδων. Αναδείχθηκαν διαφορετικά μονοπάτια και γονίδια που επηρεάζουν τη προδιάθεση και την εκδήλωση παχυσαρκίας στα δύο φύλα.