Χρήση του φυτού Arabidopsis Thaliana ως μοντέλο για την απόκριση σε βλάβες DNA, έπειτα από έκθεση σε Ιοντίζουσα Ακτινοβολία, με χρήση δεδομένων μικροσυστοιχιών.
Είναι γνωστό ότι η έκθεση βιολογικών ιστών σε ιοντίζουσες ακτινοβολίες (IR) έχει ως αποτέλεσμα την επαγωγή μιας σειράς μηχανισμών ως απόκριση στις βλάβες που δημιουργούνται στο DNA, γνωστοί και ως DNA Damage Response (DDR). Σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι η διερεύνηση των μηχανισμών αυτών στην περίπτωση του φυτού μοντέλου Arabidopsis Thaliana. Η προσέγγιση που επιλέχθηκε ήταν η ανάλυση διαφορικής έκφρασης (Differential Gene Expression Analysis - DGEA) βασισμένη σε δεδομένα μικροσυστοιχιών από δημόσια αποθετήρια.
Η αναζήτηση των πειραματικών μας δεδομένων έγινε στη βάση ArrayExpress, καταλήγοντας σε ένα μόνο dataset με κωδικό E-GEOD-61484. Τα δείγματα του νεαρού βλαστού της A. Thaliana είχαν εκτεθεί σε 100Gy ακτινοβολίας-γ ή 30Gy ακτινοβολίας HZE. Οι χρόνοι συλλογής των δειγμάτων έπειτα από ακτινοβόληση ήταν στις 1.5, 3, 6, 12, 24 ώρες. Τα στατιστικώς σημαντικά διαφορικώς εκφρασμένα γονίδια αναδείχθηκαν με χρήση της γλώσσας R. Το σύνολο των διαφορικώς εκφραζόμενων γονιδίων που προκύπτει, γνωστά ως DEGs, χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία δικτύων πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων μέσω της STRING για τα δύο είδη ακτινοβολίας ξεχωριστά καθώς επίσης για τη διεξαγωγή ανάλυσης εμπλουτισμού (enrichment analysis) σχετικά με βιολογικές διεργασίες της GO (Gene Ontology). Τέλος, έπειτα από επιλογή των σημαντικών DEGs χρησιμοποιήθηκε το εργαλείο DIOPT για την ανάδειξη των αντιστοίχων ορθολόγων στον άνθρωπο.
Τα αποτελέσματα μας υποδεικνύουν ενεργοποίηση γνωστών μηχανισμών DDR και για τα δύο είδη ακτινοβολίας, όπως σημεία ελέγχου του κυτταρικού κύκλου, επιδιορθωτικών μηχανισμών DNA και μηχανισμών γήρανσης. Παρόλα αυτά, μηχανισμοί απόπτωσης εμφανίζονται μόνο στην περίπτωση έκθεσης σε HZE. Επιπλέον βασικές διαφορές στην περίπτωση των HZE είναι η έντονη ενεργοποίηση του έμφυτου ανοσοποιητικού και της αυτοφαγίας. Κάτι ακόμη που παρατηρείται είναι η τάση του κυττάρου να επανέρχεται στη φυσιολογική του κατάσταση 24 ώρες μετά την ακτινοβόληση. Τέλος, από την αναζήτηση ζευγών ορθολόγων μεταξύ φυτού και ανθρώπου προκύπτει η έντονη συσχέτιση με μηχανισμούς DDR στον άνθρωπο, γεγονός που καθιστά την A. thaliana ως ικανοποιητικό μοντέλο για την μελέτη των επιδράσεων IR.It is known that the exposure of biological tissues to ionizing radiation (IR) results in the induction of a series of mechanisms as a response to DNA damage, known as DNA Damage Response DDR. The aim of this master thesis is the investigation of these mechanisms in the model organism Arabidopsis Thaliana. Our selected approach was Differential Gene Expression Analysis (DGEA) based on microarray data from public repositories.
The search for our experimental data was conducted in the ArrayExpress database, resulting in only one dataset with accession code E-GEOD-61484. The samples of Arabidopsis Thaliana seedlings were exposed to 100Gy gamma or 30Gy HZE radiation. They were collected across a range of time points 1.5, 3, 6, 12, 24 hours respectively. The statistically significantly differentially expressed genes emerged through the use of R programming language. The total number of differentially expressed genes, known as DEGs, were used for the creation of protein-protein interaction networks. To this end, we utilized STRING database for both ionizing radiation types. The same DEG lists were used for performing a functional enrichment analysis concerning biological processes of GO (Gene Ontology). In the final step of our analysis, we opted for DEGs involved in main processes to predict pairs of orthologs between plant and human through the DIOPT tool.
Our results indicate activation of common DDR mechanisms for both radiation types, such as cell cycle check points, DNA repair and aging mechanisms. Nonetheless, the phenomenon of apoptosis is appeared in the case of HZE exposure. Additionally in the same case, the main differences observed in our enrichment analysis results were the intense
activation of innate immune system as well as the induction of autophagy. We also observed was the tendency of cell to obtain its homeostasis 24 hours after exposure to HZE. Finally, a strong correlation concerning DDR mechanisms emerged from the predicted pairs of orthologs, verify A. thaliana as acceptable model organism for studying the effects of IR
