Η αμυοτροφική πλευρική σκλήρυνση (ALS) παραμένει μια από τις πιο καταστροφικές νευροεκφυλιστικές διαταραχές, που οδηγεί σε μυϊκή αδυναμία, παράλυση και τελικά θάνατο. Παρά το γεγονός ότι επηρεάζει περίπου 6 στα 100.000 άτομα παγκοσμίως, η ακριβής αιτιολογία της δεν έχει ακόμη αποσαφηνιστεί.
Ερευνητές από ολόκληρο τον κόσμο, επιδίδονται, εδώ και καιρό, στην ανεύρεση βιοδεικτών με πιθανή διαγνωστική και προγνωστική σημασία. Τώρα μια ομάδα επιστημόνων στο Πανεπιστήμιο Thomas Jefferson, στις ΗΠΑ, αναμεσά τους και ο Δρ Ισίδωρος Ρηγούτσος, στην προσπάθεια να κατανοήσουν τη μοριακή βάση αυτής της διαταραχής, επιστρατεύουν την υπολογιστική βιολογία και υιοθετούν μια πρωτοποριακή προσέγγιση, αξιοποιώντας αναλύσεις μεγάλης κλίμακας για την αποκάλυψη νέων βιοδεικτών.
Ο Δρ Ρηγούτσος, που είναι παγκοσμίου φήμης υπολογιστικός βιολόγος, διευθύνει το Κέντρο Υπολογιστικής Ιατρικής στο πανεπιστήμιο Jefferson, στο οποίο είναι συνιδρυτής, και διδάσκει στο Τμήμα Παθολογίας και Γενετικής Ιατρικής, στο Τμήμα Βιολογίας Καρκίνου και στο Τμήμα Βιοχημείας και Μοριακής Βιολογίας στο ίδιο πανεπιστήμιο. Πριν ενταχθεί το 2010 στο δυναμικό του Jefferson, εργαζόταν στο Ερευνητικό Κέντρο Thomas J. Watson της IBM, όπου και συνίδρυσε το Κέντρο Υπολογιστικής Βιολογίας το 1992.
Ο Έλληνας καθηγητής μαζί με τους συναδέλφους του Phillipe Loher και Eric Londin, δημοσίευσαν πρόσφατα στο έγκριτο περιοδικό Molecular Neurobiology μια μελέτη για έναν νέο «παίκτη» στο πεδίο της έρευνας για την ALS.
Πρόκειται για μια ποικιλόμορφη κατηγορία μορίων RNA μικρού μήκους, που ονομάζονται μη κωδικοποιητικά RNA (sncRNAs), τα οποία ρυθμίζουν την έκφραση γονιδίων και διατηρούν την κυτταρική ομοιόσταση. Η ομάδα παρουσίασε μια ολοκληρωμένη ανάλυση των sncRNAs.
«Τα μικρού μήκους μη κωδικοποιητικά RNA έχουν αναδειχθεί ως κρίσιμοι ρυθμιστές στην κυτταρική βιολογία, επηρεάζοντας διαδικασίες, όπως τη μεταγραφική και μετα-μεταγραφική ρύθμιση γονιδίων, την αναδιαμόρφωση της χρωματίνης και τη μεταγωγή σήματος (μοριακούς μηχανισμούς με τις οποίους το κύτταρο επεξεργάζεται πληροφορίες που μεταφέρουν τα εξωτερικά ή εσωτερικά ερεθίσματα). Σε αντίθεση με τα RNA που κωδικοποιούν πρωτεΐνες, τα sncRNAs λειτουργούν χωρίς να μεταφράζονται σε πρωτεΐνες.
Ωστόσο η επίδρασή τους στα γονιδιακά δίκτυα και στις κυτταρικές οδούς είναι βαθιά», εξηγεί στο Dnews ο Δρ. Ρηγούτσος.
Σημαντικό βήμα στην κατανόηση της πολυπλοκότητας της ALS
Στη συγκεκριμένη μελέτη, η ομάδα ανέλυσε ξανά δείγματα αίματος από σχεδόν 300 άτομα με και χωρίς ALS, προσπαθώντας να εντοπίσει χαρακτηριστικά μοτίβα έκφρασης των sncRNAs (προηγούμενη ανάλυση δεν είχε εστιάσει σε όλες τις κατηγορίες sncRNAs) που μπορεί να διαφοροποιούν την ασθένεια από την υγιή κατάσταση. Οι επιστήμονες εντόπισαν τελικά μοναδικούς συνδυασμούς sncRNAs που διαφοροποιούν σθεναρά τους ασθενείς με ALS από τους υγιείς, αλλά δεν σταμάτησαν εκεί.
Η αναγνώριση προτύπων μέσα από την υπολογιστική βιολογία τους επέτρεψε την ανίχνευση εκτεταμένων και συνεπών αλλαγών στην αφθονία και την ποικιλομορφία αυτών των sncRNAs. Βρήκαν μάλιστα, συσχετισμό ορισμένων sncRNAs με τον χρόνο επιβίωσης του ασθενούς μετά τη διάγνωση, προσφέροντας μια δελεαστική ματιά για το πώς οι μοριακές υπογραφές, πέρα της διάγνωσης, μπορούν να προβλέψουν και την εξέλιξη αυτής της νόσου.
Για την ALS, μια ασθένεια που είναι διαβόητη για την κλινική της ετερογένεια και τις διαγνωστικές προκλήσεις, οι υπολογιστικές προσεγγίσεις παρέχουν μια πολλά υποσχόμενη οδό για την ανάπτυξη ισχυρών διαγνωστικών εργαλείων και εκλεπτυσμένων προγνωστικών μοντέλων που βασίζονται σε μοριακές υπογραφές.
Προηγούμενη εργασία της ομάδας του καθηγητή Ρηγούτσου υπέδειξε αλλοιωμένα προφίλ sncRNAs στο αίμα, στο εγκεφαλονωτιαίο υγρό, και στον εγκέφαλο ασθενών με τη νόσο του Πάρκινσον, υποδηλώνοντας ότι οι νευροεκφυλιστικές καταστάσεις μπορεί να διαμοιράζονται μοριακές διαταραχές σε ρυθμιστικό επίπεδο RNA.
Το εργαστήριο του καθηγητή Ρηγούτσου που μελετά τη βιογένεση και τη λειτουργία μικρού μήκους ρυθμιστικών μη κωδικοποιητικών RNAs, ήταν το πρώτο που ανακάλυψε πριν 12 χρόνια σχεδόν, ότι η παραγωγή αυτών των μοριων εξαρτάται από το φύλο και από τον πληθυσμό όπου ανήκει ένα άτομο. Λίγα χρόνια αργότερα, η έρευνά του έδειξε πως και η ρυθμιστική επίδραση αυτών των μοριων στην παραγωγή πρωτεϊνών εξαρτάται από το φύλο, τον πληθυσμό προέλευσης, καθώς και από τον τύπο του ιστού και της ασθένειας.
Ο καθηγητής και η ομάδα του εξετάζουν το πώς οι παραπάνω εξαρτήσεις προδιαθέτουν διαφορετικά, διαφορετικούς ανθρώπους σε εξωτερικά ερεθίσματα, στην υγεία και στις ασθένειες, αλλά και πως αυτά τα μικρού μήκους μορια διαμορφώνουν τις ρυθμιστικές διαδικασίες των κυττάρων αξιοποιώντας την αρχιτεκτονική των ανθρώπινων πυρηνικών και μιτοχονδριακών γονιδιωμάτων, την αρχιτεκτονική του DNA που κωδικοποιεί πρωτεΐνες και τα επαναλαμβανόμενα στοιχεία που διατρέχουν το πυρηνικό γονιδίωμα.
«Δυο στοιχεία έχουν διαδραματίσει κεντρικό ρόλο μέχρι στιγμής στην έρευνά μας, η ανακάλυψη από το εργαστήριό μας τεσσάρων κατηγοριών sncRNAs τα οποία καλύπτουν περισσότερο από το 95% των μικρού μήκους μη κωδικοποιητικων RNAs στα ανθρώπινα κύτταρα και η υπολογιστική βιολογία. Η ανίχνευση των τεσσάρων κατηγοριών sncRNAs σε δεδομένα αλληλουχίας υψηλής απόδοσης, σε συνδυασμό με εξελιγμένους αγωγούς βιοπληροφορικής, επέτρεψαν την αποκάλυψη κρυφών προτύπων έκφρασης RNAs και διευκόλυναν σημαντικούς συσχετισμούς με κλινικά αποτελέσματα. Αυτός ο υπολογιστικός φακός μας επέτρεψε να μετατρέψουμε τα ακατέργαστα μοριακά δεδομένα σε ενεργές βιολογικές γνώσεις, επιταχύνοντας τον ρυθμό της ανακάλυψης και διευρύνοντας τους ορίζοντες της έρευνας σε αυτή αλλα και σε άλλες νοσους», αναφέρει ο Έλληνας επιστήμονας, για το εργαστήριο του οποίου, ιδιαίτερο ενδιαφέρον, παρουσιάζουν τα μη κωδικοποιητικά RNAs που είναι ειδικά για τα πρωτεύοντα μιας και οι ρυθμιστικές διαδικασίες για τις οποίες ευθύνονται δεν μπορούν ούτε να ανακαλυφθούν αλλά ούτε και να μελετηθούν χρησιμοποιώντας πειραματικά μοντέλα ζώων.
Μια απροσδόκητη και ενδιαφέρουσα δεξαμενή sncRNAs
Πέρα από τα RNAs που προέρχονται από τον άνθρωπο, η μελέτη που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Molecular Neurobiology αποκάλυψε και μια απροσδόκητη και ενδιαφέρουσα δεξαμενή sncRNAs που προέρχονται από μικροοργανισμούς, συμπεριλαμβανομένων βακτηρίων και μυκήτων.
Αυτό το εύρημα εισάγει ένα πρόσθετο επίπεδο πολυπλοκότητας, που ενδεχομένως εμπλέκει το ανθρώπινο μικροβίωμα στην εμφάνιση ή στην εξέλιξη της ALS.
«Η παρουσία μη ανθρώπινων sncRNAs στο αίμα αμφισβητεί για άλλη μια φορά την εστίαση αποκλειστικά στη γενετική του ξενιστή και υπογραμμίζει την περίπλοκη αλληλεπίδραση ξενιστή-μικροβίου στο πλαίσιο νευροεκφυλιστικών ασθενειών. Αν και η αιτιότητα παραμένει άγνωστη, αυτά τα μικροβιακά μοριακά σήματα μπορεί να επηρεάσουν τις ανοσολογικές αποκρίσεις, τη φλεγμονή ή την υγεία των νευρώνων, αναφέρει ο καθηγητής.
Η ανακάλυψη αυτών των συνεισφορών μικροβιακών RNAs στην έκφραση της ALS μπορεί να ανοίξει νέες θεραπευτικές δυνατότητες που στοχεύουν το μικροβίωμα ή τις σχετικές μοριακές οδούς, τόσο για αυτή τη διαταραχή, όσο ενδεχομένως και για άλλες, για τις οποίες υπάρχουν υποψίες τέτοιου είδους συνεισφορών.
Καθώς τα σύνολα δεδομένων μεγαλώνουν και οι αναλυτικές τεχνικές εξελίσσονται, η αποκωδικοποίηση ασθενειών σε μοριακό επίπεδο γίνεται όλο και πιο εφικτή. Ενώ παραμένουν πολλά ερωτήματα, οι γνώσεις που μπορούν να προκύψουν από τη μελέτη του προφίλ των sncRNAs σηματοδοτούν ένα σημαντικό βήμα προς την κατανόηση της μοριακής πολυπλοκότητας ασθενειών και τη βελτίωση των αποτελεσμάτων για όσους επηρεάζονται.
Στην περίπτωση της ALS, αυτή η πρωτοποριακή μελέτη αποτελεί παράδειγμα του μετασχηματιστικού δυναμικού της ενσωμάτωσης της υπολογιστικής βιολογίας στην παραδοσιακή νευροεπιστήμη, αξιοποιώντας τη δύναμη των μεγάλων δεδομένων για την αποκάλυψη λεπτών μοριακών αλλαγών αόρατων με γυμνό μάτι.
*Για όσες και όσους ενδιαφέρονται, οι κατηγορίες των sncRNAs που ανακάλυψε το εργαστήριο του καθηγητή Ρηγούτσου είναι οι ισομορφές των μικροRNAs (miRNAs) που είναι γνωστές ως isomiRs, τα θραύσματα των μεταφορέων RNA (tRNAs) που είναι γνωστά ως tRFs, τα θραύσματα των ριβοσωμικών RNAs (rRNAs) που είναι γνωστά ως rRFs, και τα θραύσματα της πολύ λιγότερο γνώριμης ομάδας των Y RNAs που είναι γνωστά ως yRFs.
