Συστημική φαρμακολογική ανάλυση της έκφρασης των γονιδίων των ριβοσωμικών πρωτεϊνών

Abstract

The ubiquitously expressed ribosomal proteins (RPs) constitute essential components of the ribosome, the organelle responsible for protein production in the cell and one of the most conserved subcellular structures of all cells, from bacteria all the way to vertebrates. Historically, these proteins have been solely viewed as building blocks necessary for maintaining the structural integrity of the translational machinery. Recently, however, many studies have emerged challenging this traditional notion. Through various interactions with specific proteins and mRNA cis-regulatory elements, ribosomal proteins exert unforeseen control over translation and cellular homeostasis. The present study aims to describe the multifunctional roles of RPs in the biomedical literature and their association with disease phenotypes. We show that the level of literature coverage for RPs ranges widely, with some RPs having been extensively studied, while others are apparently less well characterized by targeted experimental analysis. Notably, further analysis of human and mouse ortholog RP sequences reveals that the level of literature coverage for RPs appears to be unrelated to the level of their conservation. Furthermore, entity-specific semantic search of disease terms, performed in ribosomal protein-related articles (collected through text mining methods), reveals cancer, developmental defects and hematological disorders as the predominant disease phenotypes associated with most ribosomal proteins. Based on sequence and tissue-specific gene expression availability, we have compiled and curated the ribosomal protein sequence complement of eleven vertebrate species, to examine variations in the structure and function of ribosomal genes across species and relevant tissues. We rank-ordered ribosomal proteins according to their conservation along the vertebrate lineage and map them onto the ribosome topology. Furthermore, we explored and revealed the potential of ribosomal protein expression patterns to distinctly separate human biological samples based on their tissue of origin. Through the application of machine learning methods in subsets of ribosomal proteins, we show that the majority of core ribosomal proteins are positively correlated and present similar differences in expression levels across different types of tissues. Although we also observe instances of tissue-specific expression for several ribosomal proteins at the mRNA level, these have negligible effect on the performance of multi-classification models. Thus, we argue that the limited cases of tissue-specificity of core ribosomal proteins may constitute exceptions that reflect on RNA production ‘idiosyncrasies’ in the respective tissues and that potential assumptions of functional significance require careful confirmation at the protein level. In addition, careful examination of ribosomal protein expression patterns across different vertebrate species, revealed extended similarities concerning samples with the same tissue of origin. Although species-specific differences were present as well, we established the ability of multi-classification models, trained on human-tissue ribosomal protein expression profiles, to accurately predict the type of tissue for various vertebrates in a statistically significant manner. Therefore, tissue-specific gene expression varies across species but not tissues, arguing for a conservation of tissue specificity of ribosomal protein gene expression, at least in vertebrates.

Οι καθολικά εκφραζόμενες ριβοσωμικές πρωτεΐνες αποτελούν βασικά συστατικά του ριβοσώματος, το οργανίδιο που είναι υπεύθυνο για την παραγωγή πρωτεϊνών στο κύτταρο και αποτελεί μία από τις πιο συντηρημένες υποκυτταρικές δομές, από βακτήρια μέχρι σπονδυλωτά. Ιστορικά, οι πρωτεΐνες αυτές θεωρήθηκαν αποκλειστικά ως δομικά στοιχεία απαραίτητα για τη διατήρηση της δομικής ακεραιότητας του μηχανισμού μετάφρασης. Πρόσφατα, ωστόσο, πολλές μελέτες έχουν προκύψει αμφισβητώντας αυτή τη παραδοσιακή έννοια. Μέσα από διάφορες αλληλεπιδράσεις με συγκεκριμένες πρωτεΐνες και cis ρυθμιστικά στοιχεία (cis-elements) των αγγελιοφόρων RNA (messenger RNA; mRNA), οι ριβοσωμικές πρωτεΐνες ασκούν απρόβλεπτο έλεγχο της μετάφρασης και της κυτταρικής ομοιόστασης. Η παρούσα μελέτη στοχεύει να περιγράψει με συστηματικό τρόπο την ανάλυση και μελέτη των επιπέδων έκφρασης των ριβοσωμικών πρωτεϊνών στη βιοϊατρική βιβλιογραφία και τη σχέση τους με παθολογικούς φαινοτύπους. Αυτό αποτελεί ένα σημαντικό στοιχείο αξιοποίησης των μεθοδολογιών της συστημικής φαρμακολογίας, αφού η τεκμηριωμένη μοριακή γνώση επιτρέπει στην επιλογή φαρμακευτικών στόχων για την ανάπτυξη θεραπευτικών με μεγαλύτερη επιτυχία. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι το επίπεδο της βιβλιογραφικής κάλυψης για τις διάφορες ριβοσωμικές πρωτεΐνες κυμαίνεται ευρέως, με ορισμένες να έχουν μελετηθεί εκτενώς, ενώ άλλες να έχουν τραβήξει ελάχιστο πειραματικό ενδιαφέρον. Επιπρόσθετα, δείχθηκε ότι το επίπεδο της βιβλιογραφικής κάλυψης για τις ριβοσωμικές πρωτεΐνες δεν σχετίζεται με τα επίπεδα συντήρησής τους. Επιπλέον, η σημασιολογική αναζήτηση συγκεκριμένων οντοτήτων για όρους ασθένειας, αποκαλύπτει τους όρους «καρκίνο», «αναπτυξιακά ελαττώματα» και «αιματολογικές διαταραχές» ως τους κυρίαρχους φαινοτύπους νόσων που σχετίζονται με τις περισσότερες ριβοσωμικές πρωτεΐνες. Επιπρόσθετα, με βάση την διαθεσιμότητα δεδομένων γονιδιακής έκφρασης και ακολουθιών, έχουμε συγκεντρώσει και επεξεργαστεί μία εκτεταμένη συλλογή πρωτεϊνικών αλληλουχιών για ριβοσωμικές πρωτεΐνες από έντεκα αντιπροσωπευτικά είδη σπονδυλωτών. Κατατάξαμε τις ριβοσωμικές πρωτεΐνες, ανάλογα με τα επίπεδα συντήρησής τους κατά μήκος της γενεαλογίας των σπονδυλωτών, με χαρτογράφηση επίσης στην τοπολογία του ριβοσώματος. Επιπλέον, μέσω της εφαρμογής μεθόδων μηχανικής μάθησης, διερευνήσαμε και αποκαλύψαμε τη δυνατότητα των μοτίβων έκφρασης ριβοσωμικών πρωτεϊνών να ταξινομούν με ακρίβεια ανθρώπινα βιολογικά δείγματα βάσει του ιστού/οργάνου προέλευσής τους. Δείχνουμε, επίσης, ότι η πλειονότητα των κύριων ριβοσωμικών πρωτεϊνών παρουσιάζουν ισχυρή θετική συσχέτιση και παρόμοιες διαφορές στα επίπεδα έκφρασης, για διαφορετικούς τύπους ιστών/οργάνων. Αν και παρατηρούμε περιπτώσεις ιστο-ειδικής έκφρασης για ορισμένες ριβοσωμικές πρωτεΐνες, σε επίπεδο mRNA, αυτές έχουν αμελητέα επίδραση στην απόδοση των μοντέλων πολλαπλής ταξινόμησης. Έτσι, υποστηρίζουμε ότι οι περιορισμένες περιπτώσεις ιστο-ειδικότητας των ριβοσωμικών πρωτεϊνών ενδέχεται να αποτελούν εξαιρέσεις, οι οποίες αντανακλούν σε «ιδιοσυγκρασίες» της μεταγραφής του mRNA στους αντίστοιχους ιστούς, καθώς και ότι οποιεσδήποτε πιθανές παραδοχές λειτουργικής σημασίας απαιτούν προσεκτική επιβεβαίωση σε επίπεδο πρωτεΐνης. Επιπλέον, η προσεκτική εξέταση των μοτίβων έκφρασης ριβοσωμικών πρωτεϊνών σε διαφορετικά είδη σπονδυλωτών, αποκάλυψε εκτεταμένες ομοιότητες μεταξύ δειγμάτων με τον ίδιο ιστό/όργανο προέλευσης. Παρόλη την ανίχνευση διαφορών μεταξύ συγκεκριμένων ειδών, δείξαμε ότι μοντέλα πολλαπλής ταξινόμησης, που εκπαιδεύτηκαν βάσει των μοτίβων έκφρασης των ριβοσωμικών πρωτεϊνών σε ανθρώπινους ιστούς/όργανα, μπορούν να προβλέψουν με σχετική ακρίβεια τον τύπο ιστού/οργάνου για δείγματα διαφορετικών σπονδυλωτών, με στατιστικά σημαντικό τρόπο. Επομένως, η ιστο-ειδική γονιδιακή έκφραση ποικίλλει κυρίως μεταξύ των ειδών αλλά όχι των ιστών/οργάνων, υποστηρίζοντας τη συντήρηση της έκφρασης των γονιδίων των ριβοσωμικών πρωτεϊνών σε ιστούς/όργανα, τουλάχιστον στα σπονδυλωτά.