Genome wide association studies (GWAS) in an effort to provide insights into the complex interplay of nuclear receptor transcriptional networks and their contribution to the maintenance of homeostasis

Abstract

Transcription factors are proteins that bind short distinct DNA sequences and regulate gene expression. These proteins play a major role in organism evolution and the emergence of phenotypic variation. Nuclear receptors (NRs) are a category of ligand-dependent transcription factors that participate in essential biological processes. The glucocorticoid receptor (GR) specifically, is a nuclear receptor that modulates the stress response system and therefore plays an integral role in homeostasis maintenance. Homeostasis, as a physiological mechanism, is essential in proper organism function. GR interacts with numerous epigenetics factors, enzymes and even other nuclear receptors. Genetic or structural alterations on such transcription factors may have severe consequences on numerous biological mechanisms.This work investigates the available genomic and structural data on nuclear receptors in an attempt to provide novel information regarding the interplay between NR transcriptional networks. The evolutionary history of nuclear receptors based on their ligand-binding domain (LBD) structural region and the pathological conditions emerging after alterations on these regions are also studied. Since the glucocorticoid receptor has a major role in homeostasis maintenance, a data-mining and semantics pipeline was applied in order to extract important information from associated SNPs found in the current literature. Lastly, the frequencies of single nucleotide polymorphisms found in the GR interactome were used to compare two different populations, in an effort to find homeostasis-related characteristics distinct for specific individuals.Results showcase that the ligand-binding domain of nuclear receptors displays seven evolutionary conserved signaling motifs, including the ‘LxxLL’ or ‘LLxxL’ repeating amino-acid patterns. Phylogenetic analysis revealed four monophyletic branches and hinted at new evolutionary relations among NRs’ LBD. Moreover, structural and functional comparisons on NRs’ LBD structures and their associated ligands identified two distinct canonical forms, one steroid hormone receptor‑like cluster and one thyroid hormone receptor‑like cluster. It was also uncovered that the estrogen receptor alpha (ERa) was split into two distinct sub-clusters. Although these sub‑clusters were very similar sequence-wise, one of them was structurally more similar to estrogen receptor beta (RMSD <2Å) than ERa. It is possible that this sub-cluster of ERa emerges due to a Y537S mutation, which has been heavily associated with breast cancer. This Y537S sub-cluster is more similar to the estrogen receptor beta on a functional and structural level but still retains some of ERa’s properties. The data-mining and semantics approach focused on single nucleotide polymorphisms found in GR and its signaling regulators highlighted the importance of this receptor in homeostasis maintenance. SNPs in intronic regions were associated with severe pathological conditions, an effect possibly achieved via the action of non-coding RNAs that interfere with gene expression. The POLR1C gene was also found to be heavily present in GR signaling regulators’ literature, implying that this receptor plays an important role in rRNA synthesis. Lastly, in order to evaluate how SNPs associated with the glucocorticoid receptor may influence phenotypic variation, a genetic comparison between the Japanese and Korean populations was conducted. The comparison once again highlighted that alteration in intronic regions may lead to several pathological conditions. Additionally, the single nucleotide polymorphism rs1043618 found in the HSP1A may be responsible for characteristics distinct to each population.These results highlight the importance of nuclear receptors in numerous biological mechanisms, including homeostasis. Additionally, uncovered structural information may be used for the development of novel drugs, while new genetic information can help improve disease diagnosis.

Οι μεταγραφικοί παράγοντες αποτελούν πρωτεΐνες που δεσμεύουν συγκεκριμένες μικρές αλληλουχίες DNA και ρυθμίζουν τη γονιδιακή έκφραση. Αυτές οι πρωτεΐνες έχουν σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη των οργανισμών και στην εμφάνιση της φαινοτυπικής ποικιλομορφίας. Οι πυρηνικοί υποδοχείς είναι μια κατηγορία μεταγραφικών παραγόντων που ρυθμίζονται από την πρόσδεση ενός συνδέτη και παίρνουν μέρος σε σημαντικές βιολογικές διεργασίες. Ο υποδοχέας των γλυκοκορτικοειδών (GR), συγκεκριμένα, είναι ένας πυρηνικός υποδοχέας που ρυθμίζει την απόκριση στο στρες και συνεπώς παίζει κύριο ρόλο στη διατήρηση της ομοιόστασης. Η ομοιόσταση, ως φυσιολογικός μηχανισμός, είναι απαραίτητη για τη σωστή λειτουργία ενός οργανισμού. Γενετικές ή δομικές αλλαγές σε τέτοιας φύσεως μεταγραφικούς παράγοντες μπορεί να έχουν δριμείς επιπτώσεις σε διάφορους βιολογικούς μηχανισμούς.Η παρούσα εργασία ερευνά τα διαθέσιμα γενετικά και δομικά δεδομένα για τους πυρηνικούς υποδοχείς και προσπαθεί να προσφέρει καινούριες πληροφορίες που σχετίζονται με τα μεταγραφικά δίκτυα των πυρηνικών υποδοχέων και την αλληλεπίδρασή τους. Επίσης, μελετήθηκαν η εξελικτική ιστορία των πυρηνικών υποδοχέων με βάση τη δομική περιοχή δέσμευσης συνδέτη καθώς και οι παθολογικές καταστάσεις που εμφανίζονται μετά από τροποποιήσεις σε αυτές τις περιοχές. Καθώς ο υποδοχέας των γλυκοκορτικοειδών έχει σημαντικό ρόλο στη διατήρηση της ομοιόστασης, έγινε χρήση μεθόδων εξόρυξης δεδομένων και σημασιολογίας για τη λήψη σημαντικών πληροφοριών από συσχετιζόμενους μονονουκλεοτιδικούς πολυμορφισμούς που βρίσκονται στην υπάρχουσα βιβλιογραφία. Τέλος, οι συχνότητες μονονουκλεοτιδικών πολυμορφισμών που εντοπίζονται σε γονίδια που αλληλοεπιδρούν με τον υποδοχέα των γλυκοκορτικοειδών χρησιμοποιήθηκαν για τη σύγκριση δύο διαφορετικών πληθυσμών σε μια προσπάθεια εύρεσης γενετικών χαρακτηριστικών που σχετίζονται με την ομοιόσταση και εντοπίζονται σε συγκεκριμένα άτομα.Τα αποτελέσματα παρουσιάζουν ότι η δομική περιοχή πρόσδεσης του συνδέτη των πυρηνικών υποδοχέων παρουσιάζει εφτά εξελικτικά διατηρημένες περιοχές σηματοδότησης, συμπεριλαμβανομένου του επαναλαμβανόμενου αμινοξικού μοτίβου “LxxLL” ή “LLxxL”. Μια φυλογενετική ανάλυση παρουσίασε τέσσερις μονοφυλετικούς κλάδους και προτείνει μια νέα εξελικτική σχέση μεταξύ των περιοχών πρόσδεσης του συνδέτη των πυρηνικών υποδοχέων. Επιπροσθέτως, δομικές και λειτουργικές αναλύσεις στις περιοχές πρόσδεσης του συνδέτη των πυρηνικών υποδοχέων παρουσίασαν δύο διαφορετικές υποομάδες, μια που μοιάζει με τους υποδοχείς στεροειδών και μια που μοιάζει με τον υποδοχέα του θυρεοειδούς. Εκτός αυτού, ανακαλύφθηκε ότι ο υποδοχέα οιστρογόνων τύπου α χωρίζεται σε δύο ξεχωριστές υποομάδες. Παρότι οι υποομάδες αυτές είχαν πολλές ομοιότητες σε επίπεδο αλληλουχίας, η μια φαίνεται να μοιάζει δομικά περισσότερο με τον υποδοχέα των οιστρογόνων τύπου β παρά με τον τύπου α ( RMSD <2Å). Πιθανόν η υποομάδα αυτή του υποδοχέα να εμφανίζεται λόγω της μετάλλαξης Y537S που έχει συσχετισθεί σε μεγάλο βαθμό με τον καρκίνο του μαστού. Αυτή η υποομάδα που δημιουργείται από την Y537S θυμίζει περισσότερο τον υποδοχέα οιστρογόνων τύπου β σε επίπεδο δομής και λειτουργίας αλλά διατηρεί ακόμα κάποια από τα χαρακτηριστικά του υποδοχέα τύπου α. Η προσέγγιση εξόρυξης δεδομένων και σημασιολογίας που εφαρμόστηκε στους μονονουκλεοτιδικούς πολυμορφισμούς που εμφανίζονται στον υποδοχέα των γλυκοκορτικοειδών και τους ρυθμιστές της σηματοδότησής του επεσήμανε το ρόλο του υποδοχέα στη διατήρηση της ομοιόστασης. Οι μονονουκλεοτιδικοί πολυμορφισμοί που εντοπίζονται σε εσωνικές περιοχές φέρεται να σχετίζονται με δριμείς παθολογικές καταστάσεις, μια ιδιότητα που μάλλον εκτελείται μέσω της δράσης μη κωδικών RNA που παρεμβάλλονται στη γονιδιακή έκφραση. Το γονίδιο POLR1C εντοπίστηκε αρκετές φορές στη βιβλιογραφία των ρυθμιστών της σηματοδότησης του υποδοχέα των γλυκοκορτικοειδών, προτείνοντας, κατά αυτόν τον τρόπο, ένα πιο σημαντικό ρόλο του υποδοχέα στη σύνθεση του rRNA. Τέλος, έλαβε χώρα μια γενετική σύγκριση μεταξύ του Γιαπωνέζικου και του Κορεάτικου πληθυσμού ώστε να διαλευκανθεί το πώς οι μονονουκλεοτιδικοί πολυμορφισμοί που σχετίζονται με τον υποδοχέα των γλυκοκορτικοειδών επηρεάζουν τη φαινοτυπική ποικιλομορφία. Η σύγκριση επισήμανε για άλλη μια φορά πώς αλλαγές σε ιντρονικές περιοχές οδηγούν σε δριμείς παθολογικές καταστάσεις. Επιπροσθέτως, ο πολυμορφισμός rs1043618 που εντοπίζεται στο γονίδιο HSP1A δύναται να ευθύνεται για χαρακτηριστικά ξεχωριστά για τον εκάστοτε πληθυσμό.Τα αποτελέσματα αυτά επισημαίνουν τη σημαντικότητα των πυρηνικών υποδοχέων σε πολλούς βιολογικούς μηχανισμούς, συμπεριλαμβανομένης της ομοιόστασης. Επιπλέον, δομικές πληροφορίες που εντοπίστηκαν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη νέων φαρμάκων, ενώ γενετικές πληροφορίες που εντοπίστηκαν μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη διάγνωση και πρόγνωση ασθενειών.