Συστημική Αποκωδικοποίηση του ανθρώπινου Uniquome: Εξελικτικές, Μηχανιστικές και Θεραπευτικές Προσεγγίσεις

Η Πρωτεωμική είναι ένα σύνολο πολύπλοκων μεθόδων και τεχνολογιών που αποσκοπεί στην ταυτοποίηση, καταγραφή και μελέτη του ολικού πρωτεϊνικού περιεχομένου ενός βιολογικού υλικού. Περιλαμβάνει το διαχωρισμό των πρωτεϊνών ενός βιολογικού δείγματος, την ανάλυση τους με φασματομετρία μάζας, την ταυτοποίησή τους με τη χρήση εργαλείων βιοπληροφορικής, τη συστηματική εισαγωγή των αποτελεσμάτων σε βάσεις δεδομένων και, τέλος την επεξεργασία τους. Οι πλέον εύχρηστες μέθοδοι για την ταυτοποίηση των πρωτεϊνών είναι αυτές που αξιοποιούν το πεπτιδικό αποτύπωμά τους (peptide finger-print) και αναλύουν την αμινοξική αλληλουχία των πεπτιδίων τους. Τα σημαντικότερα μειονεκτήματα αυτών των μεθόδων είναι πως για την ασφαλή ταυτοποίηση μίας πρωτεΐνης, απαιτείται η ανάλυση τουλάχιστον δύο πεπτιδίων ανά πρωτεΐνη καθώς και ότι πολλά από τα πεπτίδια που ταυτοποιούνται από το φασματογράφο μάζας δεν οδηγούν τελικά σε ασφαλή χαρακτηρισμό μίας πρωτεΐνης και απορρίπτονται κατά τη βιοπληροφορική επεξεργασία. Οι παραπάνω αδυναμίες των ήδη υπαρχόντων μεθόδων, οδήγησαν στην ανάγκη ανάπτυξης μιας νέας προσέγγισης για την ταυτοποίηση των πρωτεϊνών ενός οργανισμού. Η προσέγγιση αυτή βασίστηκε στην υπόθεση ότι η αμινοξική αλληλουχία κάθε πρωτεΐνης θα πρέπει να περιλαμβάνει τουλάχιστον ένα πεπτίδιο που η αμινοξική του αλληλουχία είναι απόλυτα μοναδική (Unique) ως προς το πρωτέωμα του οργανισμού που ανήκει, με αποτέλεσμα να χαρακτηρίζει την πρωτεΐνη διαφορικά και μονοσήμαντα. Έτσι, σαν αποτέλεσμα αυτής της προσέγγισης, στην παρούσα διατριβή καταγράφηκαν τα μοναδικά πεπτίδια του συνόλου των θεωρημένων (reviewed) πρωτεϊνών του ανθρώπου και εντός αυτών αναδείχθηκαν δύο νέες οντότητες μοναδικών πεπτιδίων, τα μοναδικά πεπτίδια ελαχίστου μήκους (core unique peptide - CrUP) και τα σύνθετα μοναδικά πεπτίδια (composite unique peptide - CmUP). Τέλος, εισήχθη για πρώτη φορά ο όρος του Uniquome που περιλαμβάνει το σύνολο των μοναδικών πεπτιδίων (CrUPs και CmUPs) ενός οργανισμού. Τα αντικείμενα της παρούσας διατριβής περιλαμβάνουν: α) Την ανάπτυξη μεθοδολογίας για την ανάλυση μεγάλων δεδομένων (big data analysis) με σκοπό την δημιουργία του ανθρώπινου Uniquome, β) την κατάρτιση και πλήρη καταγραφή του ανθρώπινου Uniquome που περιλαμβάνει τόσο τα CrUPs όσο και τα CmUPs, γ) την ανάλυση και την διερεύνηση των χαρακτηριστικών των μοναδικών πεπτιδίων σε ένα υψηλά συστημικό και συνθετικό επίπεδο και δ) την διερεύνηση εφαρμογών του ανθρώπινου Uniquome σε φυσιολογικές και παθολογικές καταστάσεις. Για την δημιουργία του ανθρώπινου Uniquome αναπτύχθηκε ένα νέο λογισμικό ανάλυσης που έχει την δυνατότητα να επεξεργαστεί μεγάλο όγκο δεδομένων (big data analysis) χρησιμοποιώντας κυρίως ως γλώσσα προγραμματισμού τη C#, με παράλληλη χρήση μεθόδων που βασίζονται τόσο σε παράλληλα όσο και σε κατανεμημένα συστήματα. Στο ανθρώπινο πρωτέωμα έως σήμερα έχουν περιληφθεί 20.430 θεωρημένες πρωτεΐνες, που περιλαμβάνουν 7.263.888 CrUPs και 77.697 CmUPs και απαρτίζουν το ανθρώπινο Uniquome, ενώ διαπιστώθηκε ότι 148 πρωτεΐνες (0,7%) δεν περιλαμβάνουν μοναδικά πεπτίδια καθώς φαίνεται να είναι ισομορφές με ομολογία μεγαλύτερη του 99%. Περαιτέρω ανάλυση των μοναδικών πεπτιδίων ως προς το μήκος τους, έδειξε ότι η πλειοψηφία των CrUPs και των CmUPs αποτελείται από πεπτίδια 6 και 11 αμινοξέων αντίστοιχα, ενώ η ανάλυση τους ως προς την σχετική θέση εμφάνισής τους μέσα στην πρωτεΐνη έδειξε πως τα CrUPs εντοπίζονται με το ίδιο ποσοστό σε όλες τις πιθανές θέσεις μέσα στις πρωτεΐνες, εν αντιθέσει με τα CmUPs που εντοπίζονται κυρίως στις αρχικές θέσεις των πρωτεϊνών. Η συνολική πυκνότητα από μοναδικά πεπτίδια για το ανθρώπινο πρωτέωμα υπολογίστηκε στο 64% για τα CrUPs, και στο 0,68% για τα CmUPs, ενώ η συνολική κάλυψη στο 93%. Αναφορικά με τον αριθμό από CrUPs που συνθέτουν ένα CmUP, η ομάδα των σύνθετων μοναδικών πεπτιδίων (6.103 πεπτίδια) που συνθέτονται από 5 μοναδικά πεπτίδια ελαχίστου μήκους είναι αυτή που εντοπίζεται με το μεγαλύτερο ποσοστό (7,85%). Η ανάλυση των χρωμοσωμάτων ως προς τα μοναδικά πεπτίδια που εμπεριέχονται σε αυτά, ανέδειξε πως χρωμοσώματα που εντοπίζονται με χαμηλά χαρακτηριστικά μοναδικότητας ενοχοποιούνται για χρωμοσωμικές ανωμαλίες που έχουν καταγραφεί στον άνθρωπο. Για την καλύτερη κατανόηση του ανθρώπινου Uniquome και των χαρακτηριστικών του, η μελέτη επεκτάθηκε στην κατάρτιση του Uniquome άλλων 19 πρότυπων οργανισμών που χρησιμοποιούνται σαν βιολογικά μοντέλα. Περεταίρω, αναφορικά με την εφαρμογή του Uniquome για την κατανόηση της βιολογικής δράσης του, αναλύθηκαν διάφορες οικογένειες πρωτεϊνών όπως η οικογένεια RAS, η οικογένεια Major histocompatibility complex class I (MHC I), η οικογένεια Peptidase C19 και η οικογένεια Peptidase S1. Τέλος, δύο ομάδες πεπτιδίων με ιδιαίτερη βιολογική σημασία σε ανθρώπινες παθήσεις είναι τα ανοσοπεπτίδια και τα αντιγονικά καρκινικά πεπτίδια. Διαπιστώθηκε ότι από τα υπάρχοντα ανοσοπεπτίδια το 87% είναι unique πεπτίδια, ενώ το 89% των υπαρχόντων αντιγονικών πεπτιδίων είναι επίσης unique. Η κατάρτιση και η ανάλυση του ανθρώπινου Uniquome οδήγησε για πρώτη φορά στην αποκάλυψη δύο νέων οντοτήτων πεπτιδίων στο ανθρώπινο πρωτέωμα τα οποία όπως διαπιστώθηκε έχουν τεράστια βιολογική σημασία. Η ένταξη των μοναδικών πεπτιδίων στις ήδη υπάρχουσες εφαρμογές της φασματομετρίας μάζας μπορεί να αυξήσει σημαντικά τα ποσοστά ταυτοποίησης πρωτεϊνών στα υπό μελέτη δείγματα και να αποκαλύψει νέες πρωτεΐνες, καθόσον μια πρωτεΐνη δύναται να ταυτοποιηθεί από ένα και μόνο πεπτίδιο. Έτσι η χρήση των CrUPs και CmUPs θα οδηγήσει στην αποτελεσματική, ασφαλή και ταχεία ταυτοποίηση πρωτεϊνικών βιοδεικτών παθολογικών καταστάσεων. Επιπλέον, από τα ευρήματα της παρούσας διατριβής διαπιστώνεται ότι η χρήση του Uniquome στην αντιμετώπιση παθολογικών καταστάσεων είναι δυνατόν να οδηγήσει στον σχεδιασμό νέων και πιο εξατομικευμένων θεραπευτικών προσεγγίσεων τόσο σε επίπεδο φαρμάκων όσο και σε επίπεδο εμβολίων.Proteomics are comprised of a setoff complex methods and technologies that aim to identify, register, and study the total protein content of a biological sample. It includes protein separation, mass spectrometry analysis, protein identification using bioinformatics tools, systematic introduction of the results in databases and analysis of the results. The most easy-to-use methods for protein identification are those that utilize the peptide fingerprint and analyze the amino acid sequence of their peptides. The biggest disadvantages of these methods are that they require the analysis of at least two peptides for every protein to allow for safe identification as well as that many of the peptides that are identified by mass spectrometry do not eventually lead to safe identification of a protein and are rejected throughout the bioinformatics process. The weaknesses mentioned above lead to the need to develop a new approach to identify the proteins of an organism. This approach was based on the hypothesis that every protein’s amino acid sequence must include at least one peptide with an entirely unique amino acid sequence in a given organism. As a result, it would characterize this protein and distinguish it from all other proteins of this specific organism. Thus, as a result of this approach, in the present study, all the unique peptides of the total of review proteins of human are registered and two new entities of unique peptides emerge: core unique peptide (CrUP) and composite unique peptide (CmUP). Finally, the term “Uniquome” is introduced for the first time, a term that includes the ensemble of unique peptides (core and composite) of an organism. Objects of the present study include a. the development of a method to analyze big data for the creation of the human Uniquome, b. the setting-up of a full registration of the human Uniquome that includes CrUPs as well as CmUP, c. the analysis and expansion of their characteristics to a high systemic and synthetic level and d. the translation of the human Uniquome applications to physiologic and pathologic conditions. For the creation of the human Uniquome, a new analysis software was developed that is capable of big data analysis, using mainly C# and using methods that are based in parallel as well as distributed computing systems. There are 20.430 reviewed proteins in the human proteome so far, that include 7.263.888 CrUPs and 77.697 CmUPs and comprise the human Uniquome, while 148 proteins (0.7%) were found not to include unique peptides because they are isoforms with over 99% homology. Further analysis of unique peptides length showed that the majority of CrUPs and CmUPs are comprised of 6 and 11 amino acids respectively while in-protein location analysis showed that CrUPs are found in all possible locations within a protein in contrast to CmUPs that are mostly found in the beginning of the protein. The total density of unique peptides in the human proteome was calculated to 64% for CrUPs and 0.68% for CmUPs, while their total coverage was 93%. Regarding the number of CrUPs that comprise a CmUP, the group of composite peptides (6.103 peptides) that are made of 5 unique peptides of minimum length are the majority with a percentage of 7.85%. Analysis of unique peptides in chromosomes showed that chromosomes with low characteristics of uniqueness are found in chromosomal abnormalities in humans. To better understand Uniquome and its characteristics, this study went further to the creation of the Uniquome in another 19 model organisms used in research. Furthermore, several protein families were analyzed, such as the Ras protein family, proteins of the Major histocompatibility Complex class I (MHC-I), the family of Peptidase C19 and the family of Peptidase S1. Finally, two groups of peptides with biological significance in human disease are immune peptides and cancer antigenic peptides. We found that 87% of the existing immune peptides are unique peptides and 89% of cancer antigenic peptides are also unique peptides. Creating and analyzing the human Uniquome led for the first time in the introduction of two new peptide entities of the human proteome, that are of paramount biological significance. Integrating unique peptides in the current applications of mass spectrometry can dramatically increase accurate protein identification and reveal new proteins, since each protein can be uniquely identified by one and only peptide. The use of CrUPs and CmUPs will result in effective, safe and fast identification of protein biomarkers in pathologic conditions. Furthermore, the findings in the present study show that using Uniquome in the treatment of pathologic conditions can lead to the design of new, personalized therapeutic approaches in the context of drug or vaccine development

Discovery of X-ray polarization angle rotation in active galaxy Mrk 421

The magnetic field conditions in astrophysical relativistic jets can be probed by multiwavelength polarimetry, which has been recently extended to X-rays. For example, one can track how the magnetic field changes in the flow of the radiating particles by observing rotations of the electric vector position angle $\Psi$. Here we report the discovery of a $\Psi_{\mathrm x}$ rotation in the X-ray band in the blazar Mrk 421 at an average flux state. Across the 5 days of Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) observations of 4-6 and 7-9 June 2022, $\Psi_{\mathrm x}$ rotated in total by $\geq360^\circ$. Over the two respective date ranges, we find constant, within uncertainties, rotation rates ($80 \pm 9$ and $91 \pm 8 ^\circ/\rm day$) and polarization degrees ($\Pi_{\mathrm x}=10\%\pm1\%$). Simulations of a random walk of the polarization vector indicate that it is unlikely that such rotation(s) are produced by a stochastic process. The X-ray emitting site does not completely overlap the radio/infrared/optical emission sites, as no similar rotation of $\Psi$ was observed in quasi-simultaneous data at longer wavelengths. We propose that the observed rotation was caused by a helical magnetic structure in the jet, illuminated in the X-rays by a localized shock propagating along this helix. The optically emitting region likely lies in a sheath surrounding an inner spine where the X-ray radiation is released

X-ray Polarization Observations of BL Lacertae

Blazars are a class of jet-dominated active galactic nuclei with a typical double-humped spectral energy distribution. It is of common consensus the Synchrotron emission to be responsible for the low frequency peak, while the origin of the high frequency hump is still debated. The analysis of X-rays and their polarization can provide a valuable tool to understand the physical mechanisms responsible for the origin of high-energy emission of blazars. We report the first observations of BL Lacertae performed with the Imaging X-ray Polarimetry Explorer ({IXPE}), from which an upper limit to the polarization degree $\Pi_X<$12.6\% was found in the 2-8 keV band. We contemporaneously measured the polarization in radio, infrared, and optical wavelengths. Our multiwavelength polarization analysis disfavors a significant contribution of proton synchrotron radiation to the X-ray emission at these epochs. Instead, it supports a leptonic origin for the X-ray emission in BL Lac.Comment: 17 pages, 5 figures, accepted for publication in ApJ

Magnetic Field Properties inside the Jet of Mrk 421: Multiwavelength Polarimetry Including the Imaging X-ray Polarimetry Explorer

We conducted a polarimetry campaign from radio to X-ray wavelengths of the high-synchrotron-peak (HSP) blazar Mrk 421, including Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) measurements on 2022 December 6-8. We detected X-ray polarization of Mrk 421 with a degree of $\Pi_{\rm X}$=14$\pm$1$\%$ and an electric-vector position angle $\psi_{\rm X}$=107$\pm$3$^{\circ}$ in the 2-8 keV band. From the time variability analysis, we find a significant episodic variation in $\psi_{\rm X}$. During 7 months from the first IXPE pointing of Mrk 421 in 2022 May, $\psi_{\rm X}$ varied across the range of 0$^{\circ}$ to 180$^{\circ}$, while $\Pi_{\rm X}$ maintained similar values within $\sim$10-15$\%$. Furthermore, a swing in $\psi_{\rm X}$ in 2022 June was accompanied by simultaneous spectral variations. The results of the multiwavelength polarimetry show that the X-ray polarization degree was generally $\sim$2-3 times greater than that at longer wavelengths, while the polarization angle fluctuated. Additionally, based on radio, infrared, and optical polarimetry, we find that rotation of $\psi$ occurred in the opposite direction with respect to the rotation of $\psi_{\rm X}$ over longer timescales at similar epochs. The polarization behavior observed across multiple wavelengths is consistent with previous IXPE findings for HSP blazars. This result favors the energy-stratified shock model developed to explain variable emission in relativistic jets. The accompanying spectral variation during the $\psi_{\rm X}$ rotation can be explained by a fluctuation in the physical conditions, e.g., in the energy distribution of relativistic electrons. The opposite rotation direction of $\psi$ between the X-ray and longer-wavelength polarization accentuates the conclusion that the X-ray emitting region is spatially separated from that at longer wavelengths.Comment: 17 pages, 13 figures, 4 tables; Accepted for publication in A&

Systemic decoding of the human uniquome: evolutionary, mechanistic and therapeutic approaches

Proteomics are comprised of a setoff complex methods and technologies that aim to identify, register, and study the total protein content of a biological sample. It includes protein separation, mass spectrometry analysis, protein identification using bioinformatics tools, systematic introduction of the results in databases and analysis of the results. The most easy-to-use methods for protein identification are those that utilize the peptide fingerprint and analyze the amino acid sequence of their peptides. The biggest disadvantages of these methods are that they require the analysis of at least two peptides for every protein to allow for safe identification as well as that many of the peptides that are identified by mass spectrometry do not eventually lead to safe identification of a protein and are rejected throughout the bioinformatics process. The weaknesses mentioned above lead to the need to develop a new approach to identify the proteins of an organism. This approach was based on the hypothesis that every protein’s amino acid sequence must include at least one peptide with an entirely unique amino acid sequence in a given organism. As a result, it would characterize this protein and distinguish it from all other proteins of this specific organism. Thus, as a result of this approach, in the present study, all the unique peptides of the total of review proteins of human are registered and two new entities of unique peptides emerge: core unique peptide (CrUP) and composite unique peptide (CmUP). Finally, the term “Uniquome” is introduced for the first time, a term that includes the ensemble of unique peptides (core and composite) of an organism. Objects of the present study include a. the development of a method to analyze big data for the creation of the human Uniquome, b. the setting-up of a full registration of the human Uniquome that includes CrUPs as well as CmUP, c. the analysis and expansion of their characteristics to a high systemic and synthetic level and d. the translation of the human Uniquome applications to physiologic and pathologic conditions. For the creation of the human Uniquome, a new analysis software was developed that is capable of big data analysis, using mainly C# and using methods that are based in parallel as well as distributed computing systems.There are 20.430 reviewed proteins in the human proteome so far, that include 7.263.888 CrUPs and 77.697 CmUPs and comprise the human Uniquome, while 148 proteins (0.7%) were found not to include unique peptides because they are isoforms with over 99% homology. Further analysis of unique peptides length showed that the majority of CrUPs and CmUPs are comprised of 6 and 11 amino acids respectively while in-protein location analysis showed that CrUPs are found in all possible locations within a protein in contrast to CmUPs that are mostly found in the beginning of the protein. The total density of unique peptides in the human proteome was calculated to 64% for CrUPs and 0.68% for CmUPs, while their total coverage was 93%. Regarding the number of CrUPs that comprise a CmUP, the group of composite peptides (6.103 peptides) that are made of 5 unique peptides of minimum length are the majority with a percentage of 7.85%. Analysis of unique peptides in chromosomes showed that chromosomes with low characteristics of uniqueness are found in chromosomal abnormalities in humans. To better understand Uniquome and its characteristics, this study went further to the creation of the Uniquome in another 19 model organisms used in research. Furthermore, several protein families were analyzed, such as the Ras protein family, proteins of the Major histocompatibility Complex class I (MHC-I), the family of Peptidase C19 and the family of Peptidase S1. Finally, two groups of peptides with biological significance in human disease are immune peptides and cancer antigenic peptides. We found that 87% of the existing immune peptides are unique peptides and 89% of cancer antigenic peptides are also unique peptides.Creating and analyzing the human Uniquome led for the first time in the introduction of two new peptide entities of the human proteome, that are of paramount biological significance. Integrating unique peptides in the current applications of mass spectrometry can dramatically increase accurate protein identification and reveal new proteins, since each protein can be uniquely identified by one and only peptide. The use of CrUPs and CmUPs will result in effective, safe and fast identification of protein biomarkers in pathologic conditions. Furthermore, the findings in the present study show that using Uniquome in the treatment of pathologic conditions can lead to the design of new, personalized therapeutic approaches in the context of drug or vaccine development.Η Πρωτεωμική είναι ένα σύνολο πολύπλοκων μεθόδων και τεχνολογιών που αποσκοπεί στην ταυτοποίηση, καταγραφή και μελέτη του ολικού πρωτεϊνικού περιεχομένου ενός βιολογικού υλικού. Περιλαμβάνει το διαχωρισμό των πρωτεϊνών ενός βιολογικού δείγματος, την ανάλυση τους με φασματομετρία μάζας, την ταυτοποίησή τους με τη χρήση εργαλείων βιοπληροφορικής, τη συστηματική εισαγωγή των αποτελεσμάτων σε βάσεις δεδομένων και, τέλος την επεξεργασία τους. Οι πλέον εύχρηστες μέθοδοι για την ταυτοποίηση των πρωτεϊνών είναι αυτές που αξιοποιούν το πεπτιδικό αποτύπωμά τους (peptide finger-print) και αναλύουν την αμινοξική αλληλουχία των πεπτιδίων τους. Τα σημαντικότερα μειονεκτήματα αυτών των μεθόδων είναι πως για την ασφαλή ταυτοποίηση μίας πρωτεΐνης, απαιτείται η ανάλυση τουλάχιστον δύο πεπτιδίων ανά πρωτεΐνη καθώς και ότι πολλά από τα πεπτίδια που ταυτοποιούνται από το φασματογράφο μάζας δεν οδηγούν τελικά σε ασφαλή χαρακτηρισμό μίας πρωτεΐνης και απορρίπτονται κατά τη βιοπληροφορική επεξεργασία. Οι παραπάνω αδυναμίες των ήδη υπαρχόντων μεθόδων, οδήγησαν στην ανάγκη ανάπτυξης μιας νέας προσέγγισης για την ταυτοποίηση των πρωτεϊνών ενός οργανισμού. Η προσέγγιση αυτή βασίστηκε στην υπόθεση ότι η αμινοξική αλληλουχία κάθε πρωτεΐνης θα πρέπει να περιλαμβάνει τουλάχιστον ένα πεπτίδιο που η αμινοξική του αλληλουχία είναι απόλυτα μοναδική (Unique) ως προς το πρωτέωμα του οργανισμού που ανήκει, με αποτέλεσμα να χαρακτηρίζει την πρωτεΐνη διαφορικά και μονοσήμαντα. Έτσι, σαν αποτέλεσμα αυτής της προσέγγισης, στην παρούσα διατριβή καταγράφηκαν τα μοναδικά πεπτίδια του συνόλου των θεωρημένων (reviewed) πρωτεϊνών του ανθρώπου και εντός αυτών αναδείχθηκαν δύο νέες οντότητες μοναδικών πεπτιδίων, τα μοναδικά πεπτίδια ελαχίστου μήκους (core unique peptide - CrUP) και τα σύνθετα μοναδικά πεπτίδια (composite unique peptide - CmUP). Τέλος, εισήχθη για πρώτη φορά ο όρος του Uniquome που περιλαμβάνει το σύνολο των μοναδικών πεπτιδίων (CrUPs και CmUPs) ενός οργανισμού. Τα αντικείμενα της παρούσας διατριβής περιλαμβάνουν: α) Την ανάπτυξη μεθοδολογίας για την ανάλυση μεγάλων δεδομένων (big data analysis) με σκοπό την δημιουργία του ανθρώπινου Uniquome, β) την κατάρτιση και πλήρη καταγραφή του ανθρώπινου Uniquome που περιλαμβάνει τόσο τα CrUPs όσο και τα CmUPs, γ) την ανάλυση και την διερεύνηση των χαρακτηριστικών των μοναδικών πεπτιδίων σε ένα υψηλά συστημικό και συνθετικό επίπεδο και δ) την διερεύνηση εφαρμογών του ανθρώπινου Uniquome σε φυσιολογικές και παθολογικές καταστάσεις. Για την δημιουργία του ανθρώπινου Uniquome αναπτύχθηκε ένα νέο λογισμικό ανάλυσης που έχει την δυνατότητα να επεξεργαστεί μεγάλο όγκο δεδομένων (big data analysis) χρησιμοποιώντας κυρίως ως γλώσσα προγραμματισμού τη C#, με παράλληλη χρήση μεθόδων που βασίζονται τόσο σε παράλληλα όσο και σε κατανεμημένα συστήματα.Στο ανθρώπινο πρωτέωμα έως σήμερα έχουν περιληφθεί 20.430 θεωρημένες πρωτεΐνες, που περιλαμβάνουν 7.263.888 CrUPs και 77.697 CmUPs και απαρτίζουν το ανθρώπινο Uniquome, ενώ διαπιστώθηκε ότι 148 πρωτεΐνες (0,7%) δεν περιλαμβάνουν μοναδικά πεπτίδια καθώς φαίνεται να είναι ισομορφές με ομολογία μεγαλύτερη του 99%. Περαιτέρω ανάλυση των μοναδικών πεπτιδίων ως προς το μήκος τους, έδειξε ότι η πλειοψηφία των CrUPs και των CmUPs αποτελείται από πεπτίδια 6 και 11 αμινοξέων αντίστοιχα, ενώ η ανάλυση τους ως προς την σχετική θέση εμφάνισής τους μέσα στην πρωτεΐνη έδειξε πως τα CrUPs εντοπίζονται με το ίδιο ποσοστό σε όλες τις πιθανές θέσεις μέσα στις πρωτεΐνες, εν αντιθέσει με τα CmUPs που εντοπίζονται κυρίως στις αρχικές θέσεις των πρωτεϊνών. Η συνολική πυκνότητα από μοναδικά πεπτίδια για το ανθρώπινο πρωτέωμα υπολογίστηκε στο 64% για τα CrUPs, και στο 0,68% για τα CmUPs, ενώ η συνολική κάλυψη στο 93%. Αναφορικά με τον αριθμό από CrUPs που συνθέτουν ένα CmUP, η ομάδα των σύνθετων μοναδικών πεπτιδίων (6.103 πεπτίδια) που συνθέτονται από 5 μοναδικά πεπτίδια ελαχίστου μήκους είναι αυτή που εντοπίζεται με το μεγαλύτερο ποσοστό (7,85%). Η ανάλυση των χρωμοσωμάτων ως προς τα μοναδικά πεπτίδια που εμπεριέχονται σε αυτά, ανέδειξε πως χρωμοσώματα που εντοπίζονται με χαμηλά χαρακτηριστικά μοναδικότητας ενοχοποιούνται για χρωμοσωμικές ανωμαλίες που έχουν καταγραφεί στον άνθρωπο. Για την καλύτερη κατανόηση του ανθρώπινου Uniquome και των χαρακτηριστικών του, η μελέτη επεκτάθηκε στην κατάρτιση του Uniquome άλλων 19 πρότυπων οργανισμών που χρησιμοποιούνται σαν βιολογικά μοντέλα. Περεταίρω, αναφορικά με την εφαρμογή του Uniquome για την κατανόηση της βιολογικής δράσης του, αναλύθηκαν διάφορες οικογένειες πρωτεϊνών όπως η οικογένεια RAS, η οικογένεια Major histocompatibility complex class I (MHC I), η οικογένεια Peptidase C19 και η οικογένεια Peptidase S1. Τέλος, δύο ομάδες πεπτιδίων με ιδιαίτερη βιολογική σημασία σε ανθρώπινες παθήσεις είναι τα ανοσοπεπτίδια και τα αντιγονικά καρκινικά πεπτίδια. Διαπιστώθηκε ότι από τα υπάρχοντα ανοσοπεπτίδια το 87% είναι unique πεπτίδια, ενώ το 89% των υπαρχόντων αντιγονικών πεπτιδίων είναι επίσης unique.Η κατάρτιση και η ανάλυση του ανθρώπινου Uniquome οδήγησε για πρώτη φορά στην αποκάλυψη δύο νέων οντοτήτων πεπτιδίων στο ανθρώπινο πρωτέωμα τα οποία όπως διαπιστώθηκε έχουν τεράστια βιολογική σημασία. Η ένταξη των μοναδικών πεπτιδίων στις ήδη υπάρχουσες εφαρμογές της φασματομετρίας μάζας μπορεί να αυξήσει σημαντικά τα ποσοστά ταυτοποίησης πρωτεϊνών στα υπό μελέτη δείγματα και να αποκαλύψει νέες πρωτεΐνες, καθόσον μια πρωτεΐνη δύναται να ταυτοποιηθεί από ένα και μόνο πεπτίδιο. Έτσι η χρήση των CrUPs και CmUPs θα οδηγήσει στην αποτελεσματική, ασφαλή και ταχεία ταυτοποίηση πρωτεϊνικών βιοδεικτών παθολογικών καταστάσεων. Επιπλέον, από τα ευρήματα της παρούσας διατριβής διαπιστώνεται ότι η χρήση του Uniquome στην αντιμετώπιση παθολογικών καταστάσεων είναι δυνατόν να οδηγήσει στον σχεδιασμό νέων και πιο εξατομικευμένων θεραπευτικών προσεγγίσεων τόσο σε επίπεδο φαρμάκων όσο και σε επίπεδο εμβολίων

Prediction of SARS-CoV-2 Omicron Variant Immunogenicity, Immune Escape and Pathogenicity, through the Analysis of Spike Protein-Specific Core Unique Peptides

The recently discovered Omicron variant of the SARS-CoV-2 coronavirus has raised a new, global, awareness. In this study, we identified the Core Unique Peptides (CrUPs) that reside exclusively in the Omicron variant of Spike protein and are absent from the human proteome, creating a new dataset of peptides named as SARS-CoV-2 CrUPs against the human proteome (C/H-CrUPs), and we analyzed their locations in comparison to the Alpha and Delta variants. In Omicron, 115 C/H-CrUPs were generated and 119 C/H-CrUPs were lost, almost four times as many compared to the other two variants. At the Receptor Binding Motif (RBM), 8 mutations were detected, resulting in the construction of 28 novel C/H-CrUPs. Most importantly, in the Omicron variant, new C/H-CrUPs carrying two or three mutant amino acids were produced, as a consequence of the accumulation of multiple mutations in the RBM. These C/H-CrUPs could not be recognized in any other viral Spike variant. Our findings indicated that the virus binding to the ACE2 receptor is facilitated by the herein identified C/H-CrUPs in contact point mutations and Spike cleavage sites, while the immunoregulatory NF9 peptide is not detectably affected. Thus, the Omicron variant could escape immune-system attack, while the strong viral binding to the ACE2 receptor leads to the highly efficient fusion of the virus to the target cell. However, the intact NF9 peptide suggests that Omicron exhibits reduced pathogenicity compared to the Delta variant

Unique Peptides of Cathelicidin-1 in the Early Detection of Mastitis—In Silico Analysis

Based on the results of previously performed clinical studies, cathelicidin-1 has been proposed as a potential biomarker for the early diagnosis of mastitis in ewes. It has been hypothesized that the detection of unique peptides (defined as a peptide, irrespective of its length, that exists in only one protein of a proteome of interest) and core unique peptides (CUPs) (representing the shortest peptide that is unique) of cathelicidin-1 may potentially improve its identification and consequently the diagnosis of sheep mastitis. Peptides of sizes larger than those of the size of CUPs, which include consecutive or over-lapping CUPs, have been defined as ‘composite core unique peptides’ (CCUPs). The primary objective of the present study was the investigation of the sequence of cathelicidin-1 detected in ewes’ milk in order to identify its unique peptides and core unique peptides, which would reveal potential targets for accurate detection of the protein. An additional objective was the detection of unique sequences among the tryptic digest peptides of cathelicidin-1, which would improve accuracy of identification of the protein when performing targeted MS-based proteomics. The potential uniqueness of each peptide of cathelicidin-1 was investigated using a bioinformatics tool built on a big data algorithm. A set of CUPs was created and CCUPs were also searched. Further, the unique sequences in the tryptic digest peptides of cathelicidin-1 were also detected. Finally, the 3D structure of the protein was analyzed from predicted models of proteins. In total, 59 CUPs and four CCUPs were detected in cathelicidin-1 of sheep origin. Among tryptic digest peptides, there were six peptides that were unique in that protein. After 3D structure analysis of the protein, 35 CUPs were found on the core of cathelicidin-1 of sheep origin and among them, 29 were located on amino acids in regions of the protein with ‘very high’ or ‘confident’ estimates of confidence of the structure. Ultimately, the following six CUPs: QLNEQ, NEQS, EQSSE, QSSEP, EDPD, DPDS, are proposed as potential antigenic targets for cathelicidin-1 of sheep. Moreover, another six unique peptides were detected in tryptic digests and offer novel mass tags to facilitate the detection of cathelicidin-1 during MS-based diagnostics

Dataset of milk whey proteins of two indigenous greek goat breeds

Due to its rarity and unique biological traits, as well as its growing financial value, milk of dairy Greek small ruminants is continuously attracting interest from both the scientific community and industry. For the construction of the present dataset, cutting-edge proteomics methodologies were employed, in order to investigate and characterize, for the first time, the milk whey proteome from the two indigenous Greek goat breeds, Capra prisca and Skopelos. In total 822 protein groups were identified in milk whey of the two breeds, The present data are further discussed in the research article “Milk of Greek sheep and goat breeds; characterization by means of proteomics” [1]. Keywords: Foodomics, milk whey, Capra prisca breed, Skopelos Breed, LC-MS/MS, Greek goa

Dataset of milk whey proteins of three indigenous Greek sheep breeds

The importance and unique biological traits, as well as the growing financial value, of milk from small Greek ruminants is continuously attracting interest from both the scientific community and industry. In this regard the construction of a reference dataset of the milk of the Greek sheep breeds is of great interest. In order to obtain such a dataset we employed cutting-edge proteomics methodologies to investigate and characterize, the proteome of milk from the three indigenous Greek sheep breeds Mpoutsko, Karagouniko and Chios. In total, more than 1300 protein groups were identified in milk whey from these breeds, reporting for the first time the most detailed proteome dataset of this precious biological material. The present results are further discussed in the research paper “Milk of Greek sheep and goat breeds; characterization by means of proteomics” (Anagnostopoulos et al. 2016) [1]