Μετα-Ανάλυση δεδομένων RNA-Seq της νόσου του Πάρκινσον

Abstract

Η δεύτερη σε συχνότητα νευροεκφυλιστική νόσος του Πάρκινσον οφείλεται στη σταδιακή εκφύλιση των ντοπαμινεργικών νευρώνων της μέλαινας ουσίας των βασικών γαγγλίων και τη δημιουργία των σωματίων Lewy (Lewy Bodies), μετατρέποντας τους φυσιολογικούς ιστούς του εγκεφάλου σε παθολογικούς. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η εύρεση γονιδίων που εκφράζονται διαφορικά σε εγκεφάλους ασθενών με τη νόσο του Πάρκινσον και υγιών, με χρήση δεδομένων αλληλούχησης επόμενης γενιάς (RNA-Seq), προκειμένου να ταυτοποιηθούν οι βασικές διεργασίες που σχετίζονται με την εμφάνιση του φαινοτύπου της νόσου. Μέσω των βάσεων δεδομένων Bioproject και ΕΝΑ, με τη χρήση εργαλείων Βιοπληροφορικής, ανακτήθηκαν 4 έρευνες που αποτέλεσαν το υλικό της μελέτης. Ο υπολογισμός της διαφορικής έκφρασης των γονιδίων σε κάθε μελέτη διενεργήθηκε με το εργαλείο DESeq2. Εφαρμόστηκε η μέθοδος της μετα-ανάλυσης, με την οποία ταυτοποιήθηκαν 339 διαφορικά εκφρασμένα γονίδια που σχετίζονται με τη νόσο του Πάρκινσον, εκ των οποίων τα 70 ήταν υποεκφρασμένα και τα 269 υπερεκφρασμένα. Οι προεξάρχουσες βιολογικές διαδικασίες στις οποίες συμμετέχουν τα γονίδια αυτά, βρέθηκαν μέσω του εργαλείου WebGestalt και της βάση δεδομένων STRING. Οι βιολογικές διεργασίες που σχετίζονται με τους υπερεκπροσωπημένους όρους των υποεκφρασμένων γονιδίων αφορούν τη μνήμη, τις νοητικές διαδικασίες, τις συνάψεις και γενικότερα τη μετάδοση του σήματος. Με στατιστική σημαντικότητα <0,05, τα κυριότερα εκ των υποεκφρασμένων γονιδίων ήταν το BDNF, η υποέκφραση του οποίου οδηγεί στην απώλεια νευροπροστασίας, το TAC1 που σχετίζεται με τη νευροφλεγμονή, το CRH που μειώνει την απόκριση στο στρες επί Πάρκινσον, το SST που σχετίζεται με την παρουσία κινητικών και μη συμπτωμάτων και το CALB1, η υποέκφραση του οποίου προάγει το οξειδωτικό στρες. Οι βιολογικές διεργασίες που βρέθηκαν να σχετίζονται με τα υπερεκφρασμένα γονίδια σχετίζονταν με νευρολογικούς και νευροχημικούς όρους 5 εκ των 26 μοριακών συνοδών πρωτεϊνών – HSPB1, DNAJB1, HSPA6, HSPA1B, HSPA1A, εμπλέκονται με τις μοριακές λειτουργίες. Τα υπερεκφρασμένα γονίδια απαρτίζουν ένα πυκνό δίκτυο αλληλεπίδρασης πρωτεϊνών. Οι κυριότεροι υπερεκπροσωπημένοι όροι τους σχετίζονται με τη φλεγμονή. Τα κυριότερα υπερεκφρασμένα γονίδια που βρέθηκαν (FDR<0,05), με σημαντικές σχέσεις μεταξύ τους ήταν τα: CSF1, IL-18, TLR5, CXCR4, HSPB1, που σχετίζονται με την παρουσία νευροφλεγμονής και οξειδωτικού στρες και το HSPA1B που όταν υπερεκφράζεται αυξάνει την κινητική νευροπάθεια. Συμπερασματικά, η ταυτοποίηση των γονιδίων που εμπλέκονται με τη μετάδοση του νευρικού σήματος καθώς και με νευρολογικές, νευροχημικές και φλεγμονώδεις διεργασίες, μέσω της γενετικής έρευνας, μπορούν να οδηγήσουν στην αποτελεσματική εξατομικευμένη θεραπευτική προσέγγιση των ασθενών, αλλά και στην εύρεση νέων θεραπευτικών σχημάτων, προάγοντας τη νευροπροστασία και προλαμβάνοντας τη νευροφλεγμονή στη νόσο του Πάρκινσον.

The second most common neurodegenerative of Parkinson’s is due to the gradual degeneration of dopaminergic neurons of the substantia nigra of the basal ganglia and the formation of Lewy Bodies, turning normal brain tissues into abnormal ones. The purpose of the present study is to find genes that are differentially expressed in the brains of patients with Parkinson’s disease and healthy ones, using next-generation sequencing (RNA-Seq) data, in order to identify basic processes related to the appearance of the disease phenotype. Through the Bioproject and ENA databases, with the use of Bioinformatics tools, 4 studies were retrieved, which constituted the material of the present research. Calculation of differential gene expression in each study was performed with DESeq2 tool. The method of meta-analysis was applied, which identified 339 differentially expressed genes associated with Parkinson’s disease, of which 70 were underexpressed and 269 were overexpressed. The prominent biological processes in which these genes participate were found through the WebGestalt tool and the STRING database. The biological processes related to the over-represented terms of the underexpressed genes concern memory, metal processes, synapses and in general signal transmission. With statistical significance <0.05, the main underexpressed genes were BDNF, whose underexpression lead to the loss of neuroprotection, TAC1 associated with neuroinflammation, CRH which reduces the stress response in Parkinson’s, SST associated in the presence of motor and non-motor symptoms, and CALB1, the underexpression of which promotes oxidative stress. The biological processes found to be associated with the overexpressed genes were related to neurological and neurochemical terms. 5 of the 26 molecular chaperone proteins – HSPB1, DNAJB1, HSPA6, HSPA1B, HSPA1A, are involved in molecular functions. Overexpressed genes constitute a dense protein interaction network. Their main overrepresented terms are related to inflammation. The main overexpressed genes found (FDR<0.05), with significant relationships between them were: CSF1, IL-18, TLR5, CXCR4, HSPB1, related to the presence of neuroinflammation and oxidative stress, and HSPAB which, when overexpressed, increases moto neuropathy. In conclusion, the identification of genes involved in nerve signal transmission as well as neurological, neurochemical and inflammatory processes, through genetic research, can lead to the effective personalized therapeutic approach of patients, but also to finding of new therapeutic regimens, promoting neuroprotection and preventing neuroinflammation in Parkinson’s disease.