Eine umfassende bioinformatische Analyse der zirkadianen Regulierung zellulärer Signalwege in einem in-vitro-Modell für Kolorektalkarzinom (CRC) und Neurodegeneration

Abstract

At the heart of the universe lies the synchrony of nature at every scale, including in our bodies. Building upon this concept Nobel Prize in Physiology or Medicine in 2017 was awarded to the discovery of the circadian clock which is the fascinating molecular genetic mechanism that allows organisms to anticipate, respond, adjust, and synchronize with recurring periodic events. The human circadian system, which is essential for fine-tuning the timing of biological events around the 24-hour solar day, comprises a network of clocks distributed throughout the body, with the suprachiasmatic nucleus in the brain acting as a central regulator. Any disruption to cellular clocks or disruption of their synchrony can lead to alterations in cellular pathways such as cell cycle or DNA repair. This doctoral dissertation aimed to characterize expression changes at the transcriptomic level upon disruption of core-clock genes on common cellular pathways associated with cancer and neurodegeneration (ND). High-throughput data sets retrieved from idiopathic Parkinson's disease (IPD) patients (438 samples) and an in vitro colorectal carcinoma (CRC), including Wild Type (WT) and clock Knock Out (KO) cells (64 samples) were analyzed. The gene expression changes observed in individuals with IPD were similar to the patterns seen in core-clock KO cells. Curated literature and KEGG pathways searches were used to determine a set of relevant pathways and their corresponding involved genes in ND and cancer. Among those genes we found genes associated with genetic forms of PD such as SNCA, GBA, and core-clock regulator DBP. Notably, co-expression of core-clock network was altered in IPD patients compared to healthy controls, pointing to variations in the expression profile of PD-associated genes that may result from the disruption of the core-clock (as observed in vitro in the CRC model). Additionally, our subsequent analysis using the cancer genome atlas (TCGA) database revealed that genes, identified in our analysis, belong to cancer hallmark pathways and had a significant impact on clinical traits such as overall survival in colon cancer patients. Researchers have just started to shed light on the consequences of the disruptions in circadian rhythms, which could contribute to a deeper understanding of the molecular mechanisms underlying pathological development. Our results further point to a common regulation of specific pathways in cancer and ND and highlight the importance of the circadian system in this regulation. By characterizing these oscillations, an overlooked feature in the clinical routines, may actually reveal molecular signatures that can improve the diagnosis and monitoring of these pathologies.

Dem Universum liegt eine Synchronität der Natur in jedem Bereich zugrunde, auch dem menschlichen Körper. Basierend auf diesem Konzept wurde die Entdeckung des faszinierenden molekulargenetischen Mechanismus der zirkadianen Uhr, mit dem Nobelpreis im Jahr 2017 gewürdigt. Diese ermöglicht Organismen periodisch wiederkehrende Prozesse zu antizipieren, darauf zu reagieren, sich anzupassen und zu synchronisieren. Das zirkadiane System des Menschen, das für die zeitliche Anpassung biologischer Ereignisse an den 24-Stunden-Tag notwendig ist, besteht aus einem Netzwerk molekularer Uhren, welches im ganzen Körper verteilt ist und in dem der suprachiasmatische Nukleus im Gehirn als Hauptregulator funktioniert. Jede Störung der zellulären Uhren oder ihrer Synchronität kann zu Veränderungen zellulärer Signalwege wie z.B. dem Zellzyklus oder der DNA-Reparatur führen. Ziel dieser Dissertation war es, Veränderungen herkömmlicher zellulärer Prozesse auf Transkriptom-Ebene zu charakterisieren, welche durch Störung des zirkadianen Systems auftreten und mit Krebs und Neurodegeneration (ND) in Verbindung stehen. Zu diesem Zweck wurden Hochdurchsatzdaten von Patienten mit idiopathischer Parkinson-Krankheit (IPD) (438 Proben), sowie von einem in-vitro-Modell des kolorektalen Karzinoms (CRC), einschließlich Wildtyp (WT)- und zirkadiane Knock-Out (KO)-Zellen, (64 Proben) analysiert. Mehrere Genexpressionsveränderungen der IPD-Patienten ähnelten Expressionsprofilen der CRC zirkadianen KO-Zellen. Mithilfe einer kuratierten Literatur- und KEGG-Suche wurden eine Reihe relevanter Signalwege und die daran beteiligten Gene bei ND und Krebs ermittelt. Einige dieser Gene sind dafür bekannt mit einer genetischen Formen der Parkinson-Krankheit in Verbindung zu stehen, z.B. SNCA, GBA und das Core-Clock-Gen DBP. Im Vergleich zu gesunden Kontrollpersonen, wurden bei Parkinson-Patienten insbesondere Veränderungen des Core-Clock-Netzwerks festgestellt. Dies weist darauf hin, dass Variationen der Expressionsprofile Parkinson-assoziierter Gene möglicherweise aus der Störung von Core-Clock-Genen resultieren (wie in-vitro im CRC-Modell beobachtet). Darüber hinaus ergab unsere anschließende Analyse mit Hilfe der The Cancer-Genome Atlas (TCGA) Datenbank, dass die identifizierten Gene zu Krebs-Hallmark-Signalwegen gehören und einen signifikanten Einfluss auf klinische Eigenschaften wie die Überlebensdauer bei Darmkrebspatienten haben. Als Wissenschaftler stehen wir noch am Anfang klinische Auswirkungen von Störungen des zirkadianen Systems zu erforschen - in Zukunft wird dies jedoch zu einem besseren Verständnis molekularer Mechanismen von Krankheitsentwicklung beitragen. Unsere Ergebnisse stützen die Hypothese einer gemeinsamen Regulierung bestimmter Signalwege bei Krebs und ND und unterstreichen die dabei wichtige Rolle des zirkadianen Systems. Da die Rolle zirkadianer Rhythmik in der klinischen Routine noch oft übersehen wird, könnte deren Charakterisierung durch Identifikation entsprechender molekular Signaturen tatsächlich die Diagnose und Überwachung dieser Pathologien verbessern.