Στοιχεία επταμελούς επιτροπής:
Αλέξανδρος Κόκκινος, Καθηγητής, Ιατρική Σχολή, ΕΚΠΑ
Νικόλαος Τεντολούρης, Καθηγητής, Ιατρική Σχολή, ΕΚΠΑ
Χριστίνα Πιπέρη, Καθηγήτρια, Ιατρική Σχολή, ΕΚΠΑ
Ευάγγελος Λυμπερόπουλος, Καθηγητής, Ιατρική Σχολή, ΕΚΠΑ
Ραφαήλ Σανδαλτζόπουλος, Καθηγητής, Τμήμα Μοριακής Βιολογίας και Γενετικής, ΔΠΘ
Απόστολος Κλινάκης, Ερευνητής Α’ βαθμίδας, Κέντρο Βασικής Έρευνας, Ι.ΙΒ.Ε.Α.Α
Γεώργιος Παναγιώτου, Ερευνητής Α’ βαθμίδας, Πρόεδρος Δ.Σ., Ερευνητικό Κέντρο Βιοϊατρικών Επιστημών (Ε.Κ.Ε.Β.Ε.) «Αλέξανδρος Φλέμιγκ»
Περίληψη:
Οι ιϊκές μολύνσεις αποτελούν σοβαρούς παράγοντες νοσηρότητας και θνησιμότητας παγκοσμίως, προκαλώντας σημαντικές επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία και συχνά οδηγώντας στην εμφάνιση πανδημιών. Οι ιοί διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στην ανάπτυξη πολυπαραγοντικών ασθενειών, οι οποίες προκύπτουν από την αλληλεπίδραση περιβαλλοντικών παραγόντων και μικροβιακού φορτίου. Η εισαγωγή της γενετικής πληροφορίας των ιών στα κύτταρα του ξενιστή προκαλεί συχνά μοριακές διαταραχές, που οδηγούν στην εμφάνιση πολύπλοκων παθολογικών φαινοτύπων. Παραδείγματα νοσημάτων που σχετίζονται με ιϊκές μολύνσεις περιλαμβάνουν τον Σακχαρώδη Διαβήτη Τύπου 1 (ΣΔΤ1), τη νόσο του Έμπολα, το Σύνδρομο Επίκτητης Ανοσολογικής Ανεπάρκειας (Acquired Immunodeficiency Syndrome, AIDS), την Ιογενή Ηπατίτιδα B και C, καθώς και άλλες αυτοάνοσες παθήσεις. Η πρόσφατη πανδημία COVID-19, που προκλήθηκε από τον ιό SARS-CoV-2, ανέδειξε τη δυναμική των ιών να αποσταθεροποιούν την ομοιόσταση του ανθρώπινου οργανισμού, προκαλώντας σημαντικές επιπτώσεις στην υγεία και τη μακροζωία. Στη σύγχρονη βιοϊατρική έρευνα, η κατανόηση της σχέσης μεταξύ περιβαλλοντικών παραγόντων—όπως οι μικροοργανισμοί, οι χημικές ουσίες, η ακτινοβολία, η διατροφή και το άγχος—και των γενετικών παραμέτρων, δηλαδή των μεταλλάξεων στο ανθρώπινο γονιδίωμα, θεωρείται καθοριστική για την κατανόηση της εμφάνισης, εξέλιξης και διασποράς των νοσημάτων στους ανθρώπινους πληθυσμούς.
Σε μοριακό επίπεδο, η είσοδος των ιών στα κύτταρα προκαλεί επαναπρογραμματισμό του μεταγραφικού τους προφίλ, διαταράσσοντας τα γονιδιακά προγράμματα που υποστηρίζουν τους ομοιοστατικούς μηχανισμούς. Αυτό συχνά οδηγεί στην εμφάνιση παθολογικών φαινοτύπων, συνοδευόμενων από διαταραχή της αμυντικής/ανοσολογικής απόκρισης, γεγονός που διευκολύνει την ανάπτυξη ασθενειών. Η ικανότητα των κυττάρων να αναπτύσσουν σύνθετες αμυντικές αποκρίσεις έναντι μικροβιακών παθογόνων, όπως οι ιοί, αποτελεί θεμελιώδη παράγοντα για τη διατήρηση της ανθρώπινης υγείας. Ωστόσο, οι (επι)γονιδιωματικοί μηχανισμοί που εμπλέκονται στην προσαρμογή αυτών των αποκρίσεων δεν έχουν κατανοηθεί πλήρως. Ένας βασικός περιορισμός στην κατανόηση αυτών των μηχανισμών είναι η ανεπαρκής καταγραφή των λειτουργικών ρυθμιστικών στοιχείων DNA cis-δράσης (Cis-Regulatory Modules, CRMs) στο ανθρώπινο γονιδίωμα, τα οποία ρυθμίζουν την έκφραση των γονιδίων in vivo. Η διερεύνηση αυτών των ρυθμιστικών μηχανισμών είναι απαραίτητη για την αποσαφήνιση της μοριακής βάσης των αμυντικών αποκρίσεων του ανθρώπινου οργανισμού και για την ανάπτυξη νέων θεραπευτικών προσεγγίσεων για την αποτελεσματική αντιμετώπιση των ιϊκών μολύνσεων.
Ο ΣΔΤ1 χαρακτηρίζεται ως μία από τις πλέον επιβλαβείς αυτοάνοσες νόσους του παγκρέατος, προκαλώντας την καταστροφή των β παγκρεατικών κυττάρων και επηρεάζοντας εκατομμύρια ανθρώπους παγκοσμίως. Τις τελευταίες τρεις δεκαετίες, η συχνότητα εμφάνισης της νόσου έχει αυξηθεί σημαντικά. Ωστόσο, παρά την πρόοδο στην έρευνα, οι ακριβείς μοριακοί μηχανισμοί που διέπουν την ανάπτυξη του ΣΔΤ1 παραμένουν ασαφείς, ενώ δεν έχει καθοριστεί η ακριβής συσχέτιση μεταξύ της παρουσίας ιών στον ανθρώπινο οργανισμό και της ανάπτυξης της νόσου. Μελέτες που αφορούν ασθενείς με ΣΔΤ1 δείχνουν ότι οι ιϊκές μολύνσεις, και ιδιαιτέρως οι εντεροϊοί, αποτελούν σημαντικούς περιβαλλοντικούς παράγοντες κινδύνου για την εκδήλωση της νόσου. Επιπλέον, γονίδια που ενεργοποιούνται ή επάγονται από ιούς, όπως τα IRF7 και IFIH1, έχουν συνδεθεί ισχυρά με την ανάπτυξη του αυτοάνοσου φαινοτύπου του ΣΔΤ1. Παράλληλα, μελέτες γονιδιωματικής συσχέτισης (Genome-Wide Association Studies, GWAS) έχουν εντοπίσει γενετικές περιοχές με μονονουκλεοτιδικούς πολυμορφισμούς (Single Nucleotide Polymorphisms, SNPs), οι οποίες αυξάνουν τη γενετική προδιάθεση για την εμφάνιση της νόσου. Με βάση τα παραπάνω, προκύπτει η επιστημονική υπόθεση ότι συγκεκριμένες περιοχές του ρυθμιστικού DNA, οι οποίες λειτουργούν ως «ροοστάτες» της γονιδιακής έκφρασης κατά την αντιιϊκή κυτταρική απόκριση, δύνανται να συμβάλλουν στην παθογένεση του ΣΔΤ1. Η υπόθεση αυτή ενισχύεται από το γεγονός ότι μεταλλάξεις στις περιοχές αυτές μπορεί να μεταβάλουν τη δραστικότητά τους, προκαλώντας ανώμαλη αντιιϊκή απόκριση και, τελικά, την εκδήλωση της νόσου. Η περαιτέρω διερεύνηση των μηχανισμών αυτών είναι απαραίτητη για την κατανόηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ περιβαλλοντικών και γενετικών παραγόντων, καθώς και για την ανάπτυξη νέων θεραπευτικών προσεγγίσεων για τον ΣΔΤ1.
Ο σκοπός της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής, με τίτλο «Ο Ρόλος των Λειτουργικών Στοιχείων του Γονιδιώματος στην Εξέλιξη των Προγραμμάτων Γονιδιακής Έκφρασης κατά την Κυτταρική Απόκριση στη Διάρκεια Ιϊκών Μολύνσεων», είναι η αποκρυπτογράφηση και κατανόηση των μοριακών μηχανισμών που ρυθμίζουν τη γονιδιακή έκφραση σε κύτταρα θηλαστικών κατά τη διάρκεια ιϊκών μολύνσεων. Η μελέτη εστιάζει στην αναγνώριση των λειτουργικών στοιχείων του γονιδιώματος, τα οποία ρυθμίζουν τη γονιδιακή έκφραση σε συνθήκες ιϊκής μόλυνσης και εξετάζει πώς αυτές οι περιοχές μεταβάλλονται στην αντίδραση του οργανισμού, μέσω μίας ολοκληρωμένης πειραματικής προσέγγισης σε επίπεδο ολόκληρου του γονιδιώματος. Η πειραματική στρατηγική της Διδακτορικής Διατριβής συνδυάζει τις πλέον προηγμένες μεθόδους Κυτταρικής Βιολογίας, Μοριακής Βιολογίας, Βιοχημείας, Γονιδιωματικής, Βιοπληροφορικής και Υπολογιστικής Βιολογίας, με στόχο την απόκτηση νέας γνώσης για την κατανόηση της επίδρασης των ιϊκών μολύνσεων στη ρύθμιση των γονιδίων.
Τα αποτελέσματα της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής συνέβαλαν καθοριστικά στην εις βάθος κατανόηση του μοριακού μηχανισμού που διέπει την εγκαθίδρυση των ιϊκά επαγόμενων προγραμμάτων γονιδιακής έκφρασης σε ανθρώπινα επιθηλιακά κύτταρα HeLa, B λεμφοκύτταρα Namalwa, καθώς και β παγκρεατικά κύτταρα ανθρώπου και ποντικού. Τα ευρήματα της μελέτης ανέδειξαν κρίσιμα στοιχεία σχετικά με τη ρύθμιση της επαγωγής αντιιϊκών γονιδίων και τη λειτουργική οργάνωση του (επι)γονιδιώματος, αποκαλύπτοντας εκτεταμένες χρωματινικές περιοχές, οι οποίες είναι εξειδικευμένες στη γονιδιακή έκφραση που σχετίζεται με αμυντικές και αντιμικροβιακές αποκρίσεις. Ειδικότερα, τα ευρήματα της Διδακτορικής Διατριβής ανέδειξαν βασικά στοιχεία σχετικά με τη ρύθμιση της επαγωγής αντιιϊκών γονιδίων, καθώς και τη λειτουργική οργάνωση του (επι)γονιδιώματος, αποκαλύπτοντας εκτεταμένες χρωματινικές περιοχές με εξειδίκευση στη ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης που σχετίζεται με αμυντικές και αντιμικροβιακές αποκρίσεις. Παράλληλα, εντοπίστηκαν νέα ιϊκά επαγόμενα ρυθμιστικά στοιχεία του DNA (CRMs), όπως τυπικοί ενισχυτές (typical Enhancers, tEs), υπερ-ενισχυτές (Super-Enhancers, SEs) και επαναλαμβανόμενες (concatemerized) επιμήκεις μονάδες ενισχυτών (repetitive DNA enhancers, rDEs). Αυτά τα ρυθμιστικά στοιχεία αποδείχθηκαν καίρια για την ενεργοποίηση της βασικής ανοσίας κατά τη διάρκεια της μόλυνσης και τη διατήρηση της κυτταρικής ομοιόστασης σε φυσιολογικές συνθήκες. Ιδιαίτερη σημασία αποδόθηκε στη διερεύνηση της «γραμματικής» και του «συντακτικού» των αλληλουχιών του DNA (DNA Grammar & Syntax), με σκοπό την καλύτερη κατανόηση της οργανωτικής αρχιτεκτονικής του γονιδιώματος, η οποία επηρεάζει τις αντιιϊκές αποκρίσεις του οργανισμού. Επιπρόσθετα, μελετήθηκε η εξελικτική συντήρηση αυτών των ρυθμιστικών στοιχείων από τον άνθρωπο έως τα μικρόβια, αποκαλύπτοντας τον τρόπο με τον οποίο τα (επι)γονιδιώματα των θηλαστικών έχουν εξελιχθεί για να ανταποκριθούν σε εξωγενείς προκλήσεις, όπως οι ιϊκές μολύνσεις, ενεργοποιώντας προσαρμοστικές αμυντικές μεταγραφικές αποκρίσεις. Επιπλέον, ανακαλύφθηκε ότι μετά από την ιϊκή μόλυνση, ορισμένα μεταθετά στοιχεία (Transposable Elements, TEs) ενεργοποιούνται, παράγοντας μόρια RNA που επηρεάζουν τη λειτουργία γειτονικών αντιιϊκών γονιδίων και των ρυθμιστικών περιοχών τους, προσδιορίζοντας έτσι νέες πτυχές της γονιδιακής ρύθμισης κατά την ιϊκή μόλυνση. Τέλος, σημαντική ανακάλυψη αποτέλεσε ο εντοπισμός μονονουκλεοτιδικών πολυμορφισμών (SNPs), οι οποίοι συνδέονται με αυτοάνοσα νοσήματα και εντοπίζονται σε περιοχές του γονιδιώματος που βρίσκονται σε in cis εγγύτητα ή/και εντός κρίσιμων ρυθμιστικών στοιχείων. Αυτά τα SNPs ενδέχεται να προσδιορίζουν την ατομική γενετική προδιάθεση για την ανάπτυξη αυτοάνοσων νοσημάτων, καθώς και τη διαφοροποιημένη αντίδραση των οργανισμών σε ιϊκές μολύνσεις. Συνολικά, η παρούσα Διδακτορική Διατριβή προσφέρει πολύτιμες γνώσεις σχετικά με τη λειτουργία, την αρχιτεκτονική και την εξελικτική προέλευση του (επι)γονιδιώματος του ανθρώπου και του ποντικού. Τα ευρήματα αυτά ανοίγουν νέες προοπτικές για την κατανόηση της σημασίας του γονιδιώματος στην διατήρηση της ομοιόστασης, καθώς και στην αντιμετώπιση των προκλήσεων που προκαλούνται από μικροβιακούς και ιϊκούς παράγοντες, συμβάλλοντας στην ανάπτυξη καινοτόμων θεραπευτικών στρατηγικών για την αντιμετώπιση αυτοάνοσων και ιϊκών νοσημάτων.
