Βιοπληροφορική ανάλυση της επίδρασης των μεθυλιωτικών και απομεθυλιωτικών παραγόντων στις αλληλουχίες που επιδρά η αντίστροφη μεταγραφάση

Abstract

Bioinformatics Analysis of the Impact of Methylation and Demethylation Factors on the Sequences Affected by Reverse Transcription. This study was conducted in two stages. The first stage focuses on the differential distribution of sequences acted upon by reverse transcriptase in CpG islands and the impact of LINEs, HERVs, Alus, and SVAs on cancer development and genomic stability. This study can provide valuable insights into the mechanisms of tumorigenesis and lead to new approaches for diagnosis, prevention, and treatment of cancer. The analysis was performed using statistical analysis (permutation analysis in R) among the .bed files of retrotransposons (LINE-1, HERVs, ALUs, and SVAs) and the CpG islands. Data for the LINEs, ALUs, HERVs, and SVAs were drawn from the UCSC Genome Browser, while data for the CpG islands were from http://www.haowulab.org/software/makeCGI/. The total entries for LINEs were 423,461, for ALUs 1,703,333, for HERVs 565,471, for SVAs 60,628, and for CpG islands 126,878.Interesting findings emerged regarding the correlation and enrichment of the retrotransposons LINEs, ALUs, HERVs, SVAs, and CpG islands: LINEs and CpGs: The statistical correlation between CpGs and LINEs based on p-value and Z-score showed significant importance, with LINEs appearing in fewer CpGs, consequently in hypermethylated areas than expected. The enrichment analysis proved that common areas are involved in pathways responsible for enzymatic catalytic and translational activity and are mainly related to morphological abnormalities of the central nervous system. ALUs and CpGs: Similarly, the statistical correlation between CpGs and ALUs showed that ALUs are associated with more CpGs, consequently in hypomethylated areas than expected. The enrichment analysis for ALUs-CpGs focused on various molecular functions, mainly involving protein and ion binding capabilities, and are related to autosomal residual heredity and abnormalities of neurons and muscles. HERVs and CpGs: A significant statistical correlation was observed between CpGs and HERVs, with HERVs being found in fewer CpGs than expected, consequently in hypermethylated areas. The enrichment analysis for HERVs-CpGs showed involvement in metabolic pathways, such as stress conditions due to nutritional components and specific diseases related to metabolism. SVAs and CpGs: Correlation between CpGs and SVAs revealed that SVAs are found in more CpGs than expected, consequently in hypomethylated areas. The enrichment analysis for SVAs-CpGs showed involvement in processes crucial for organogenesis, like the organization and dichotomy of intracellular organelles, nuclear division, and the mitotic cell cycle. The second part of the research contains the results of the permutation analysis for various types of cancer, such as breast cancer (BRC), glioblastoma (GBM), head cancer (HN), lung cancer (LUAD), and ovarian cancer (OV).The results indicate a statistically significant overlap of CpG islands with double-strand breaks in all types of cancer, based on p-value and Z-score. Overall, these results provide significant information on the relationship between retrotransposons and CpG islands and how this is affected by various molecular functions and is related to various types of cancer.

Η συγκεκριμένη μελέτη έγινε σε 2 στάδια. Το πρώτο αφορά την διαφορική κατανομή των αλληλουχιών που δρα η αντίστροφη μεταγραφάση στις νησίδες CpG καθώς και την επιδραση των LINEs, HERVs, Alus και SVAs, στην ανάπτυξη του καρκίνου και τη γονιδιωματική σταθερότητα. Η μελέτη αυτή μπορεί να παρέχει πολύτιμες γνώσεις για τους μηχανισμούς ογκογένεσης και να οδηγήσει σε νέες προσεγγίσεις για τη διάγνωση, την πρόληψη και τη θεραπεία του καρκίνου. Η ανάλυση πραγματοποιήθηκε με τη χρήση στατιστικής ανάλυσης (permutation analysis in R) μεταξύ των .bed αρχείων των ρετρομεταθετών (LINE-1, HERVs, ALUs, και SVAs) και των CpG νησίδων​​. Τα δεδομένα για τις LINEs, ALUs, HERVs, και SVAs αντλήθηκαν από τον UCSC Genome Browser, ενώ τα δεδομένα για τις CpG νησίδες από τον ιστότοπο http://www.haowulab.org/software/makeCGI/. Το σύνολο των καταχωρήσεων για τα LINEs ήταν 423,461, για τα ALUs 1,703,333, για τα HERVs 565,471, για τα SVAs 60,628, και για τις CpG νησίδες 126,878.Προέκυψαν ενδιαφέροντα στοιχεία σχετικά με τη συσχέτιση και τον εμπλουτισμό των ρετρομεταθετών LINEs, ALUs, HERVs, SVAs και των CpG νησίδων:Μελέτη LINEs και CpGs:Η στατιστική συσχέτιση μεταξύ CpGs και LINEs βάσει p-value και Z-score έδειξε μεγάλη σημασία, με τα LINEs να εμφανίζονται σε λιγότερα CpGs συνεπώς και σε υπερμεθυλιωμένες περιοχές απ' ό,τι αναμενόταν. Η ανάλυση εμπλουτισμού απέδειξε ότι οι κοινές περιοχές εμπλέκονται σε μονοπάτια υπεύθυνα για την ενζυμική καταλυτική και μεταφραστική δραστηριότητα όπως επίσης και ότι σχετίζονται κατά κύριο λόγο με μορφολογικές ανωμαλίες του κεντρικού νευρικού συστήματος. Μελέτη ALUs και CpGs: Ομοίως, η στατιστική συσχέτιση μεταξύ CpGs και ALUs έδειξε ότι τα ALUs συσχετίζονται με περισσότερα CpGs συνεπώς και με υπομεθυλιωμένες περιοχές απ' ό,τι αναμενόταν.Η ανάλυση εμπλουτισμού για τα ALUs-CpGs επικεντρώνεται σε διάφορες μοριακές λειτουργίες, περιλαμβάνοντας κατά κύριο λόγο την ικανότητα δέσμευσης πρωτεινών και ιόντων, όπως επίσης ότι σχετίζονται με την αυτοσωμική υπολειπόμενη κληρονομικότητα και ανωμαλίες των νευρόνων και των μυών. Μελέτη HERVs και CpGs: Παρατηρήθηκε μεγάλη στατιστική σημαντικότητα μεταξύ CpGs και HERVs, με τα HERVs να βρίσκονται σε λιγότερα CpGs από το αναμενόμενο συνεπώς και σε υπερμεθυλιωμένες περιοχές. Η ανάλυση εμπλουτισμού για τα HERVs-CpGs απέδειξε ότι εμπλέκονται σε μεταβολικές οδούς, όπως σε καταστάσεις στρες λόγω θρεπτικών συστατικών και συγκεκριμένες ασθένειες που σχετίζονται με τον μεταβολισμό. Μελέτη SVAs και CpGs: Συσχέτιση μεταξύ CpGs και SVAs αποκάλυψε ότι τα SVAs βρίσκονται σε περισσότερα CpGs από το αναμενόμενο συνεπώς και σε υπομεθυλιωμένες περιοχές. Η ανάλυση εμπλουτισμού για τα SVAs-CpGs έδειξε ότι εμπλέκονται σε διεργασίες βασικές για την οργανογένεση, όπως η οργάνωση και διχοτόμηση ενδοκυτταρικών οργανιδίων, πυρηνική διαίρεση, και μιτωτικό κυτταρικό κύκλο. Το 2ο κομμάτι της έρευνας περιέχει τα αποτελέσματα του ανάλυσης μετάθεσης (permutation analysis) για διάφορους τύπους καρκίνου, όπως ο καρκίνος στο στήθος (BRC), γλοιοβλάστωμα (GBM), καρκίνος της κεφαλής (HN), καρκίνος των πνευμόνων (LUAD), και καρκίνος των ωοθηκών (OV). Τα αποτελέσματα δείχνουν στατιστικά σημαντική αλληλοεπικάλυψη των CpG νησίδων με τις δίκλωνες θραύσεις σε όλους τους τύπους καρκίνου, βασιζόμενα σε p-value και Z-score. Συνολικά, αυτά τα αποτελέσματα προσφέρουν σημαντικές πληροφορίες για τη σχέση μεταξύ των ρετρομεταθετών και των CpG νησίδων και πως αυτή επηρεάζεται από διάφορες μοριακές λειτουργίες και σχετίζεται με διάφορους τύπους καρκίνου.