Υπολογιστική μοντελοποίηση της επιγενετικής ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης κατά την ανάπτυξη χρόνιας φλεγμονής

Abstract

This study's aim is to analyze in detail a series of Next Generation Sequencing (NGS) experiments which were designed in order to characterize the transcriptome and the epigenetic regulation of gene expression during chronic inflammation. The experimental mouse model of Rheumatoid Arthritis (RA), TghuTNF was used as a model of chronic inflammation. The experiments were performed in 3 age groups (3, 8 and 11 weeks of age) corresponding to the distinct disease stages. Transcriptome was probed with the use of RNA-Seq and the epigenetic modifications were measured with ChIP-Seq and the use of the appropriate antibodies.Aiming to better understand and interpret the RNA-Seq results, a new computational method was designed and implemented. This method prioritizes regulatory factors and infers regulatory networks basen on a gene expression profile. Additionally, a second RNA-Seq experiment, which was designed to measure the expression of lowly abundant long non coding RNAs (lncRNAs), was analyzed. The protein coding genes were clustered based on their differential expression profile and functional enrichment analysis was performed in the respective clusters. The epigenetic modifications were quantified and their changes were associated with changes in gene expression.As a result, a genome-wide map of gene expression and epigenetic regulation of gene expression during chronic inflammation was created. Finally, the results were compared with respective results from RA patients showcasing the similarities of this experimental mouse model to the human disease of RA at a genome-wide level.

Σκοπός της μελέτης είναι αρχικά η λεπτομερής ανάλυση των πειραμάτων νέων τεχνολογιών που έχουν σχεδιαστεί τόσο στο επίπεδο της γονιδιακής έκφρασης, όσο και σε αυτό των επιγενετικών τροποποιήσεων, κατά τη διάρκεια ανάπτυξης της χρόνιας φλεγμονής στο ζωικό πρότυπο της Ρευματοειδούς Αρθρίτιδας (ΡΑ), TghuTNF. Τα πειράματα διεξήχθησαν σε 3 ηλικιακές κατηγορίες (3, 8 και 11 εβδομάδες) που αντιστοιχούν στα 3 αντίστοιχα στάδια ανάπτυξης της ασθένειας. Η μέτρηση της γονιδιακής έκφρασης πραγματοποιήθηκε σε επίπεδο RNA (RNA-Seq) ενώ για τη μέτρηση των επιγενετικών τροποποιήσεων χρησιμοποιήθηκαν παραλλαγές της τεχνολογίας ChIP-Seq με τα αντίστοιχα αντισώματα. Για τη καλύτερη κατανόηση των αποτελεσμάτων του πειράματος RNA-Seq σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε μία υπολογιστική μέθοδος ιεράρχησης ρυθμιστικών παραγόντων και εξαγωγής ρυθμιστικών δικτύων. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε ανάλυση σε ένα δεύτερο πείραμα RNA-Seq ειδικά σχεδιασμένο για την ανίχνευση των χαμηλότερα εκφρασμένων μεγάλων μη κωδικών μεταγράφων (lncRNAs). Πραγματοποιήθηκε ομαδοποίηση των γονιδίων με βάση τη διαφορική τους έκφραση και λειτουργική ανάλυση για εμπλουτισμένες λειτουργικές κατηγορίες. Οι επιγενετικές τροποποιήσεις ποσοτικοποιήθηκαν και συσχετίστηκαν με τα επίπεδα γονιδιακής έκφρασης σύμφωνα με τις μέχρι τώρα ευρέως χρησιμοποιούμενες τεχνικές. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργήθηκε ένας γενικός «χάρτης» γονιδιακής έκφρασης και επιγενετικών τροποποιήσεων κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης χρόνιας φλεγμονής. Τέλος, πραγματοποιήθηκε σύγκριση των αποτελεσμάτων με αντίστοιχα από ασθενείς με ΡΑ αποδεικνύοντας την ομοιότητα του συγκεκριμένου μοντέλου με την ΡΑ και στο επίπεδο των αποτελεσμάτων πειραμάτων –ομικής.