Διερεύνηση της γενετικής και μοριακής βάσης πολυπαραγοντικών νοσημάτων στο πλαίσιο φλεγμονωδών ασθενειών του δέρματος

Abstract

Genome-wide association studies have linked thousands of loci with complex human traits and diseases, providing an unprecedented opportunity for studying the genetic basis of human phenotypic variation. However, most of these associations reside in non-coding genomic regions, while the genetic architecture of such traits is highly polygenic, involving large numbers of variants with modest effects. These features present fundamental challenges for post genome-wide interpretation, including the identification of functional variants, the characterization of their regulatory effects, and the mapping of genetic associations to genes and relevant biological pathways. This PhD thesis develops and applies discrete but strongly interconnected frameworks for polygenic modeling, multi-omic integration, and gene prioritization, with the goal of improving the interpretability of genomic and molecular findings and advancing the understanding of complex disease biology. Using two common skin diseases with relatively high estimates of heritability, psoriasis and atopic dermatitis as disease models, this work presents novel analytical approaches and describes their applications to improve stratification estimates based on genetic risk, uncover heritable and environmentally induced molecular mechanisms of comorbidities and identify central genes of disease initiation, complemented with functional evidence. The first component introduces network-informed polygenic modelling that extends conventional polygenic risk score construction and aggregates genetic effects across the genome. The presented work introduces protein-protein interactions as priors for constructing genetic risk scores, considering the underlying biological structure connecting genes using psoriasis as a model. Application of this framework in the UK Biobank demonstrates that biologically informed approaches are comparable to conventional methods and clinical risk scores, while partitioning in functionally meaningful modules enables decomposition of polygenic risk into pathway-level components, improving interpretability, biological relevance and stratification of individuals based on distinct biological mechanisms. Building on this foundation, the thesis further develops integrative transcriptome-based approaches for modeling the regulatory mechanisms underlying genetic associations. This approach, applied in atopic dermatitis in the UK Biobank cohort for the first time (i) extended previously applied methods by incorporating tissue-specific regulatory information, (ii) improved gene prioritization capturing genes that participate in cross-tissue models, (iii) integrated genetic and transcriptomic evidence to improve heritable risk quantification and (iv) proved that the addition of another biological layer enables capturing disease-relevant clinical risk scores, as is the case with absolute lymphocyte and eosinophil count in atopic dermatitis. Another key aspect of this thesis is the development of analytical strategies for characterizing shared genetic architecture across complex traits. Many complex diseases exhibit substantial comorbidity estimates and are influenced by overlapping genetic factors, yet the mechanisms underlying these relationships remain incompletely understood. To investigate these connections, this work integrates genome-wide pleiotropy analyses with causal inference methods. Application of these methods in atopic dermatitis and neuropsychiatric disorders show relatively distinct genetic mechanisms with moderate-to-low global genetic correlations. However, these distinct genetic signals converge in shared biological pathways, suggesting strong mechanistic links between distinct clinical disease classes. Similarly, investigating disease signals at the transcriptome level provides a more fine-tuned framework for studying comorbidities. Despite leveraging transcriptomic signals from different disease modalities in different tissues with distinct developmental and inflammatory mechanisms, comparison between inflamed psoriatic skin and subcutaneous adipose tissue from obese patients highlights strong signal for inflammatory pathways, with strikingly conserved network regulatory mechanisms. Finally, this thesis integrates the above approaches into a unified post-GWAS analytical framework aimed at prioritizing candidate genes and elucidating their functional roles. Through polygenic risk score calculations with different assumptions about the underlying genetic architecture, transcriptome-wide data and functional evidence, this chapter enables the systematic prioritization of genes supported by multiple lines of evidence. In atopic dermatitis, the proposed pipeline results in the discovery of hundreds of candidate genes approximately half of which were deemed as novel, while integration with regulatory networks pinpointed central drivers of disease pathomechanisms that govern skin inflammation. Complementing in silico work with in vitro experimental procedures, two genes, FOSL1 and AQP3 were functionally validated reporting discrete roles in atopic dermatitis pathogenesis, providing additional support for the biological relevance of prioritized genes and facilitating connecting statistical associations and mechanistic understanding. Collectively, this thesis advances the interpretation of complex trait genetics by providing scalable and integrative frameworks for modeling genetic risk, both at the level of disease onset as well as at the level of disease progression, reflected through comorbidities. More broadly, these approaches provide a foundation for future methodological developments and have potential applications in disease risk prediction, patient stratification, and identification of therapeutic targets in complex diseases.

Οι μελέτες σάρωσης του γονιδιώματος έχουν συνδέσει πλειάδα γενετικών τόπων με σύνθετους φαινοτύπους και ασθένειες, παρέχοντας μια πρωτοφανή ευκαιρία για τη μελέτη της γενετικής βάσης της φαινοτυπικής ποικιλότητας. Ωστόσο, οι περισσότερες από αυτές τις συσχετίσεις βρίσκονται σε μη κωδικές περιοχές του γονιδιώματος, ενώ η πολύπλοκη γενετική αρχιτεκτονική των φαινοτύπων αυτών περιλαμβάνει μεγάλο αριθμό παραλλαγών με μικρές επιδράσεις στο φαινότυπο. Τα χαρακτηριστικά αυτά παρουσιάζουν θεμελιώδεις προκλήσεις για την ερμηνεία των ευρυγονιδιωματικών ευρημάτων, όπως η αναγνώριση των λειτουργικών παραλλαγών, ο χαρακτηρισμός των ρυθμιστικών τους επιδράσεων και η αντιστοίχιση των γενετικών συσχετίσεων σε γονίδια και σχετικά βιολογικά μονοπάτια. Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύσσει και εφαρμόζει διακριτά αλλά στενά διασυνδεδεμένα πλαίσια για τη μοντελοποίηση της πολυγονιδιακής αρχιτεκτονικής, ένταξη πολυεπίπεδων δεδομένων και τεχνικές ιεράρχησης γονιδίων στοχεύοντας στη βελτίωση της ερμηνευσιμότητας των γονιδιωματικών και μοριακών ευρημάτων και την προώθηση της κατανόησης της βιολογίας των σύνθετων ασθενειών. Χρησιμοποιώντας δύο κοινές δερματικές ασθένειες με σχετικά υψηλά επίπεδα κληρονομησιμότητας, την ψωρίαση και την ατοπική δερματίτιδα ως μοντέλα νοσημάτων, η παρούσα διατριβή παρουσιάζει νέες αναλυτικές προσεγγίσεις και περιγράφει τις εφαρμογές τους για τη βελτίωση της διαστρωμάτωσης βάσει γενετικού ρίσκου, την αποκάλυψη κληρονομήσιμων και περιβαλλοντικά επαγόμενων μοριακών μηχανισμών συννοσηροτήτων και την ταυτοποίηση κεντρικών γονιδίων για την έναρξη της νόσου, σε συνδυασμό με λειτουργικές μελέτες. Το πρώτο σκέλος εισάγει τη μοντελοποίηση του πολυγονιδιακού χαρακτήρα των φαινοτύπων με τη χρήση βιολογικών δικτύων, επεκτείνοντας συμβατικές μεθοδολογίες κατασκευής πολυγονιδιακών δεικτών κινδύνου και συγκεντρώνει τις ευρυγονιδιωματικές γενετικές επιδράσεις. Η παρούσα εργασία εισάγει πρωτεϊνικές αλληλεπιδράσεις ως προϋποθέσεις για την κατασκευή γενετικών δεικτών, λαμβάνοντας υπόψη τις βιολογικές αλληλεπιδράσεις που συνδέουν τα γονίδια χρησιμοποιώντας την ψωρίαση ως μοντέλο. Η εφαρμογή αυτού του πλαισίου στην κοόρτη της UK Biobank δείχνει ότι οι βιολογικά ενημερωμένες προσεγγίσεις έχουν συγκρίσιμη διακριτική ικανότητα σε σχέση με συμβατικές μεθόδους και κλινικούς παράγοντες κινδύνου, ενώ η διάσπαση του ευρύτερου πρωτεϊνικού δικτύου σε λειτουργικά διακριτές ενότητες επιτρέπει την αντίστοιχη διάσπαση του πολυγονιδιακού κινδύνου σε επίπεδο βιολογικών μονοπατιών, βελτιώνοντας την ερμηνευσιμότητα, τη βιολογική σημασία και την ταξινόμηση ατόμων ανάλογα με διακριτούς βιολογικούς μηχανισμούς. Βάσει αυτών, η διατριβή αναπτύσσει περαιτέρω προσεγγίσεις στο επίπεδο του μεταγραφώματος για τη μοντελοποίηση των ρυθμιστικών μηχανισμών που οφείλονται σε γενετικές παραλλαγές. Αυτή η προσέγγιση εφαρμόζεται στην ατοπική δερματίτιδα στην κοόρτη της UK Biobank για πρώτη φορά και (i) επεκτείνει προηγούμενες μεθόδους ενσωματώνοντας ιστο-ειδικές ρυθμιστικές πληροφορίες, (ii) βελτιώνει την ιεράρχηση γονιδίων εντοπίζοντας γονίδια που συμμετέχουν σε προβλεπτικά μοντέλα από διαφορετικούς ιστούς, (iii) ενσωματώνει γενετικά και μεταγραφωματικά στοιχεία για τη βελτίωση της ποσοτικοποίησης του κληρονομήσιμου κινδύνου και (iv) αποδεικνύει ότι η προσθήκη μιας επιπλέον βιολογικής πληροφορίας επιτρέπει τη συσχέτιση της κληρονομήσιμης πληροφορίας με κλινικούς παράγοντες σχετικούς με τη νόσο, όπως ο απόλυτος αριθμός λεμφοκυττάρων και ηωσινοφίλων στην ατοπική δερματίτιδα. Ένα άλλο κεντρικό στοιχείο της διατριβής είναι η ανάπτυξη αναλυτικών στρατηγικών για τον χαρακτηρισμό της κοινής γενετικής αρχιτεκτονικής μεταξύ πολυπαραγοντικών φαινοτύπων. Πολλοί πολύπλοκοι φαινότυποι εμφανίζουν σημαντικά ποσοστά συννοσηρότητας και επηρεάζονται από αλληλοεπικαλυπτόμενους γενετικούς παράγοντες, ωστόσο οι μηχανισμοί που οφείλονται για τις παρατηρούμενες συσχετίσεις δεν έχουν κατανοηθεί πλήρως. Για την διερεύνηση αυτών των συνδέσεων, η εργασία αυτή ενσωματώνει ευρυγονιδιωματικές αναλύσεις πλειοτροπίας μαζί με την προσδιορισμό αιτιολογικών σχέσεων. Η εφαρμογή αυτών των μεθόδων στην ατοπική δερματίτιδα και νευροψυχιατρικές διαταραχές δείχνει σχετικά διακριτούς γενετικούς μηχανισμούς με μέτριες έως χαμηλές ευρυγονιδιωματικές γενετικές συσχετίσεις. Ωστόσο, αυτά τα διακριτά γενετικά σήματα συγκλίνουν σε κοινά βιολογικά μονοπάτια, υποδηλώνοντας ισχυρούς μηχανιστικούς δεσμούς μεταξύ διακριτών κλινικών κατηγοριών νόσου. Παρομοίως, η διερεύνηση σε επίπεδο μεταγραφώματος φάνηκε να παρέχει ένα πιο λεπτομερές πλαίσιο για τη μελέτη συννοσηροτήτων. Παρά την αξιοποίηση μεταγραφικών σημάτων από διαφορετικά νοσήματα, διαφορετικών κατηγοριών, σε διαφορετικούς ιστούς με διακριτούς αναπτυξιακούς και φλεγμονώδεις μηχανισμούς, η σύγκριση μεταξύ φλεγμονώδους ψωριασικού δέρματος και υποδόριου λιπώδους ιστού από παχύσαρκους ασθενείς αναδεικνύει ισχυρό σήμα για φλεγμονώδη μονοπάτια, με αξιοσημείωτα συντηρημένους ρυθμιστικούς μηχανισμούς. Τέλος, η παρούσα διατριβή ενσωματώνει τις παραπάνω προσεγγίσεις σε ένα μοναδικό πλαίσιο ανάλυσης στοχεύοντας στην ιεράρχηση γονιδίων-τελεστών και τη διευκρίνιση των λειτουργικών τους ρόλων. Μέσω υπολογισμών πολυγονιδιακών δεικτών κινδύνου με διαφορετικές παραδοχές για την υποκείμενη γενετική αρχιτεκτονική, υπερσυνόλων δεδομένων μεταγραφικής δραστηριότητας και λειτουργικών πειραμάτων, αυτό το κεφάλαιο επιτρέπει τη συστηματική ιεράρχηση γονιδίων μέσω της υποστήριξης ανεξάρτητων αποδεικτικών στοιχείων. Στην ατοπική δερματίτιδα, η προτεινόμενη διαδικασία οδηγεί στην ανακάλυψη εκατοντάδων γονιδίων, περίπου τα μισά από τα οποία ταυτοποιήθηκαν ως νέα, ενώ η ενσωμάτωση με ρυθμιστικά δίκτυα εντόπισε κεντρικούς οδηγούς των παθογονικών μηχανισμών της νόσου που ελέγχουν τη φλεγμονή του δέρματος. Συμπληρώνοντας τα in silico ευρήματα με in vitro πειραματικές διαδικασίες, δύο γονίδια, FOSL1 και AQP3, επαληθεύθηκαν λειτουργικά με διακριτούς ρόλους στην παθογένεση της ατοπικής δερματίτιδας, παρέχοντας επιπλέον στήριξη για τη βιολογική σημασία των ιεραρχημένων γονιδίων και διευκολύνοντας τη σύνδεση των στατιστικών συσχετίσεων με τη μηχανιστική κατανόηση. Συνολικά, η διατριβή προωθεί την ερμηνεία της γενετικής των σύνθετων φαινοτύπων παρέχοντας κλιμακούμενα και ολοκληρωμένα πλαίσια για τη μοντελοποίηση του γενετικού κινδύνου, τόσο στο επίπεδο έναρξης της νόσου όσο και στο επίπεδο προόδου της νόσου όπως αντανακλάται μέσω των συννοσηροτήτων. Πιο ευρέως, αυτές οι προσεγγίσεις παρέχουν θεμέλια για μελλοντικές μεθοδολογικές εξελίξεις και έχουν πιθανές εφαρμογές στην πρόβλεψη κινδύνου νόσου, την ταξινόμηση ασθενών και την ταυτοποίηση θεραπευτικών στόχων σε πολυπαραγοντικές ασθένειες.