Διερεύνηση μοριακών μηχανισμών και υποψήφιων θεραπευτικών ουσιών για την επιληψία πρώιμης έναρξης με μεθόδους βιοπληροφορικής

Abstract

Epilepsy is a severe common neurological disease affecting all ages, with age of onset that differs. Epilepsy with onset before the age of 5 years, designated early-onset epilepsy (EOE), is of special importance. According to previous studies, genetic factors contribute significantly to the pathogenesis of epilepsy and EOE that remain unclear and must be explored. So, after creating a database with genes associated with epilepsy (and relevant information about them), a list of 229 well-selected EOE-associated genes expressed in the brain was created for the investigation of genetic factors and molecular mechanisms involved in its pathogenesis. Enrichment analysis showed that among significant pathways were nicotine addiction, GABAergic synapse, synaptic vesicle cycle, regulation of membrane potential, cholinergic synapse, dopaminergic synapse, and morphine addiction. Performing an integrated analysis as well as protein-protein interaction network-based approaches with the use of GO, KEGG, ClueGO, cytoHubba and 3 network metrics, 12 hub genes were identified, eight of which, CDKL5, GABRA1, KCNQ2, KCNQ3, SCN1A, SCN2A, SCN8A and STXBP1, were identified as key genes (via Venn diagram analysis). These key genes are mostly enriched in SNARE interactions in vesicular transport, regulation of membrane potential and synaptic vesicle exocytosis. Clustering analysis of the PPI network via MCODE showed significant functional modules, indicating also other pathways such as protein N-linked glycosylation, retrograde endocannabinoid signaling, mTOR signaling and aminoacyl-tRNA biosynthesis. Drug-gene interaction analysis identified a number of drugs as potential medications for EOE, among which the FDA approved drug retigabine and the non-FDA approved drug azetukalner (that is under clinical development).

Η επιληψία είναι μια συχνή σοβαρή νευρολογική ασθένεια που συναντάται σε άτομα όλων των ηλικιών, με ηλικία έναρξης που ποικίλλει. Η επιληψία που ξεκινά σε παιδιά ηλικίας κάτω των 5 χρόνων, η επιληψία πρώιμης έναρξης (ΕΠΕ), είναι ιδιαίτερης σημασίας. Σύμφωνα με παλιότερες μελέτες, οι γενετικοί παράγοντες συνεισφέρουν σημαντικά στη παθογένεση της ασθένειας, η οποία παραμένει ασαφής και πρέπει να ανακαλυφθεί. Στην παρούσα μελέτη, δημιουργήθηκε μια βάση δεδομένων με γονίδια που σχετίζονται με την επιληψία και ακολούθως δημιουργήθηκε μια λίστα από 229 προσεκτικά επιλεγμένα γονίδια που σχετίζονται με την ΕΠΕ και εκφράζονται στον εγκέφαλο με σκοπό να διερευνηθούν οι γενετικοί παράγοντες και οι μοριακοί μηχανισμοί που εμπλέκονται στην παθογένεση της. Για το σκοπό αυτό, στην λίστα εφαρμόστηκε ενοποιημένη ανάλυση και προσεγγίσεις ανάλυσης δικτύου πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων, με την χρήση των GO, KEGG, ClueGO, cytoHubba, 3 μετρικών δικτύου και της ανάλυσης διαγράμματος Venn. Ανάμεσα στα σημαντικά για την ασθένεια μονοπάτια που ανέδειξε αυτή η ανάλυση ήταν τα μονοπάτια της GABAεργικής σύναψης, του κύκλου των συναπτικών κυστιδίων, της ρύθμισης του μεμβρανικού δυναμικού, της χολινεργικής σύναψης, της ντοπαμινεργικής σύναψης, του εθισμού στη νικοτίνη και του εθισμού στη μορφίνη. Μέσω της ανάλυσης ταυτοποιήθηκαν 12 κομβικά γονίδια, 8 από τα οποία (τα CDKL5, GABRA1, KCNQ2, KCNQ3, SCN1A, SCN2A, SCN8A και STXBP1) ταυτοποιήθηκαν ως γονίδια-κλειδιά. Τα γονίδια-κλειδιά είναι περισσότερο εμπλουτισμένα στις αλληλεπιδράσεις των SNARE της κυστιδιακής μεταφοράς, στη ρύθμιση του μεμβρανικού δυναμικού και στην συναπτική κυστιδιακή εξωκυττάρωση, στη δραστηριότητα του υποδοχέα της SNAP και στη πρόσδεση των SNARE, καθώς και στη προσυναπτική ενεργή ζώνη και στο κυστίδιο εξωκυττάρωσης. Η ανάλυση κατά συστάδες του δικτύου πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων έδειξε σημαντικές λειτουργικές συστάδες, υποδεικνύοντας επίσης τα μονοπάτια της πρωτεϊνικής Ν-συνδεδεμένης γλυκοζυλίωσης, της ανάδρομης σηματοδότησης ενδοκανναβινοειδών, της σηματοδότησης mTOR και της βιοσύνθεσης αμινοάκυλο-tRNA. Η ανάλυση αλληλεπιδράσεων φαρμάκων-γονιδίων (γονιδίων-κλειδιών) ταυτοποίησε έναν αριθμό φαρμάκων για την θεραπεία της ασθένειας, μεταξύ των οποίων τα φάρμακα ρετιγκαμπίνη (εγκεκριμένη από το FDA) και azetukalner (σε στάδιο κλινικών δοκιμών).