Approccio di biologia dei sistemi per analizzare la regolazione trascrizionale in stato normale e patologico. Reti basate su ARACNe per dedurre la firma dell'espressione nella sclerosi laterale amiotrofica e l'analisi trascrizionale dell'espressione dei geni VDAC.

The vast genomic data generation and analysis is moving forward to a new biomedical paradigm that includes complementary research strategies of 'systems', 'synthetic' and 'reverse engineering' biology to simulate and interrogate the regulation of the complex biological system under various circumstances. Some gene-environment variations reflect a measurable difference of transcript levels between normal and diseased trait. Based on this assumption, a correspondence between the RNA levels of regulators namely 'transcription factors' (TFs), and the target genes they control can be discerned and used to construct a gene regulatory network (GRN) to identify phenotypic-specific regulatory changes and perturbations of molecular pathways. The network representation of TF-target pairs helps discovering some potential interactions underpinning pathological mechanisms that may be manipulated to restore the healthy condition. The project of the Ph.D. thesis aims to build the first transcriptional map of the amyotrophic lateral sclerosis (ALS) using ARACNe, a network reconstructed algorithm, analyzing about 800 transcriptional blood profiles from the dataset GSE11268 of ALS patients and healthy neurologically subjects. To obtain more realistic models, the matrices were assembled to identify phenotypic criteria of the ALS sample stratification (gender type, disease onset form, survival time), and then examined with various statistical parameters. We carried out the pathway enrichment analysis associated with each GRN to compare the specific rewiring of main biological processes of the observed phenotype. We also characterized pathological and healthy subnetworks of some hub genes to uncover a new disease gene (VDAC3), and to delineate the role of other ALS genes (TP53, SOD1, ALS2) and their gene neighborhood. A subsequent work concerns an integrative approach of analysis of genomic, transcriptomic and epigenomic data of VDAC1, VDAC2 and VDAC3 genes in mammals. We first compared the structure and function of the three gene isoforms and their regulatory elements between Homo sapiens and Mus musculus. The identification of different expression patterns of each VDAC isoforms and the characterization of distinct transcription factor binding sites in each VDAC promoter suggested the activation of specific context-dependent regulatory mechanisms. Their transcriptional regulation also revealed that the most abundant human isoform of VDAC1 is correlated with the lower promoter methylation levels. In-silico predictions highlighted the specialized mitochondrial function and regulation mechanisms of VDAC protein family.

La vasta produzione e analisi di dati genomici sta avanzando verso un nuovo paradigma biomedico che include strategie di ricerca complementari di biologia dei "sistemi", "sintetica" e "reverse engineering" per simulare e interrogare la regolazione del complesso sistema biologico in varie circostanze. Alcune variazioni gene-ambiente riflettono una differenza misurabile dei livelli di trascrizione tra il tratto normale e quello malato. Sulla base di questo presupposto, una corrispondenza tra i livelli di RNA dei regolatori, vale a dire i "fattori di trascrizione" (TF), e i geni bersaglio che controllano può essere individuata e utilizzata per costruire una rete di regolazione genica (GRN) per identificare cambiamenti regolatori fenotipici specifici e perturbazioni delle vie molecolari. La rappresentazione in rete delle coppie TF-target aiuta a scoprire alcune potenziali interazioni alla base dei meccanismi patologici che possono essere manipolati per ripristinare la condizione sana. Il progetto della tesi di dottorato di ricerca mira a costruire la prima mappa trascrizionale della sclerosi laterale amiotrofica (SLA) utilizzando ARACNe, un algoritmo di ricostruzione della rete, analizzando circa 800 profili ematici trascrizionali dal dataset GSE11268 di pazienti con SLA e di soggetti neurologicamente sani. Per ottenere dei modelli più realistici, le matrici delle varie reti sono state assemblate in modo da identificare dei criteri fenotipici della stratificazione della popolazione SLA (in base al sesso, alla forma di insorgenza della malattia, al tempo di sopravvivenza), e poi esaminate con varie metriche statistiche. Abbiamo effettuato l'analisi di pathway enrichment associata a ciascuna rete per confrontare il ‘ricablaggio’ specifico dei principali processi biologici del fenotipo osservato. Abbiamo anche caratterizzato le sottoreti patologiche e sane di alcuni geni hub per scoprire un nuovo gene della malattia (VDAC3) e per delineare il ruolo di altri geni della SLA (TP53, SOD1, ALS2) e dei loro vicinati genici. Un successivo lavoro ha invece riguardato un approccio integrativo all'analisi dei dati genomici, trascrittomici ed epigenomici dei geni VDAC1, VDAC2 e VDAC3 nei mammiferi. Abbiamo prima confrontato la struttura e la funzione delle tre isoforme geniche e dei loro elementi regolatori tra Homo sapiens e Mus musculus. L'identificazione di diversi modelli di espressione di ciascuna isoforma VDAC e la caratterizzazione di distinti siti di legame del fattore di trascrizione in ciascun promotore VDAC ha suggerito l'attivazione di specifici meccanismi regolatori contesto-dipendenti. La regolazione trascrizionale ha anche rivelato che l'isoforma umana più abbondante di VDAC1 è correlata ad una minore metilazione del promotore. L’analisi in silico è stata di supporto per evidenziare la funzione mitocondriale specializzata e i meccanismi di regolazione della famiglia delle proteine VDAC.