Η τεχνολογία των μικροσυστοιχιών επιτρέπει τη μέτρηση των επιπέδων έκφρασης χιλιάδων γονιδίων ταυτόχρονα σε ένα μόνο πείραμα δημιουργώντας έτσι ένα τεράστιο σύνολο δεδομένων για ανάλυση. Για να είναι δυνατή η εξαγωγή σημαντικής πληροφορίας για το υπό μελέτη βιολογικό σύστημα, έχουν χρησιμοποιηθεί διάφορες μέθοδοι προεπεξεργασίας και ανάλυσης των δεδομένων. Στις μεθόδους προεπεξεργασίας των δεδομένων συμπεριλαμβάνονται και οι μέθοδοι κανονικοποίησης. Σκοπός της κανονικοποίησης είναι η ελαχιστοποίηση των συστηματικών σφαλμάτων που εντοπίζονται στα εκτιμώμενα επίπεδα έκφρασης των γονιδίων, έτσι ώστε οι εμφανιζόμενες διαφορές τους να οφείλονται κυρίως σε βιολογικούς παράγοντες. Επίσης, η κανονικοποίηση καθιστά εφικτή τη σύγκριση των επιπέδων έκφρασης δεδομένων από περισσότερες της μίας μικροσυστοιχίες. Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρατίθεται μια ανασκόπηση των μεθόδων κανονικοποίησης για δεδομένα γονιδιακής έκφρασης cDNA μικροσυστοιχιών καθώς και μια σύγκριση των αναλυόμενων μεθόδων κανονικοποίησης. / Microarray technology allows the measurement of gene expression levels of thousands of genes simultaneously in a single experiment, therefore creating a vast set of data for analysis. In order to be able to extract the most essential information for the biological system under examination in a specific microarray, various methods are used for data pre-processing and analysis. These data pre-processing methods also include normalization methods. The purpose of normalization is the minimization of the systematic errors that are found in the estimated gene expression levels, so as the observed biological differences be due mainly to biological factors. Furthermore, the normalization makes possible the comparison of gene expression levels of data from more than one microarrays. In the present thesis a review of the normalization methods for gene expression microarray data is presented, as well as a comparison between the analysed normalization methods.

Η θερμοκρασία ανάπτυξης αποτελεί παράγοντα μεγάλης σημασίας στην οντογένεση των ιχθύων, αφού ως ποικιλόθερμοι οργανισμοί είναι συνεχώς εκτεθειμένοι στις μεταβολές του περιβάλλοντός τους. Έχει παρατηρηθεί πως η θερμοκρασία ανάπτυξης δύναται να προκαλέσει μετατόπιση του χρονοδιαγράμματος των οντογενετικών γεγονότων και πλαστικότητα σε μορφολογικούς και φυσιολογικούς χαρακτήρες (πχ στο μυοσκελετικό και το καρδιαγγειακό σύστημα). Ωστόσο, μέχρι σήμερα δεν έχει μελετηθεί η επίδραση της θερμοκρασίας ανάπτυξης στο πρότυπο της γονιδιακής έκφρασης του zebrafish και σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη του ολικού μεταγραφικού προτύπου νυμφών zebrafish. Για το λόγο αυτό σχεδιάστηκαν δύο πειράματα, όπου τρεις θερμοκρασιακές συνθήκες ανάπτυξης (22, 28 και 32oC) εφαρμόστηκαν στην πρώιμη οντογενετική περίοδο: για το διάστημα 0-20 dpf* (1ο πείραμα) και 10-20 dpf (2ο πείραμα). Πραγματοποιήθηκε απομόνωση ολικού RNA από τα άτομα ηλικίας 20 dpf όλων των πληθυσμών και από τα άτομα ηλικίας 10 dpf του πληθυσμού των 28oC του 2ου πειράματος και ακολούθησε υβριδοποίηση σε ολιγονουκλεοτιδικές μικροσυστοιχίες Affymetrix, με 15.509 αντιπροσωπευτικές αλληλουχίες γονιδίων (probe sets). Τα 21 μεταγραφικά προφίλ επεξεργάσθηκαν με τα εξειδικευμένα προγράμματα ανάλυσης μικροσυστοιχιών, dChip και MeV (v.4.5.1). Η κανονικοποίηση και το φιλτράρισμα των δεδομένων των μικροσυστοιχιών απέδωσε μεταγραφικά πρότυπα με 9.488 probe sets. Με τεχνικές πολυπαραμετρικής στατιστικής ανάλυσης (HCL και PCA) πραγματοποιήθηκαν οι συγκρίσεις των μεταγραφικών προτύπων μεταξύ των πειραματικών πληθυσμών για κάθε θερμοκρασία ανάπτυξης και οντογενετικό στάδιο. Οι HCL και PCA αναλύσεις έδειξαν i) σαφή διαχωρισμό των μεταγραφικών προτύπων μεταξύ των δύο πειραμάτων, ii) σαφή διαχωρισμό των προτύπων των 28oC και 32oC ως προς αυτά των 22oC και στα δύο πειράματα, και iii) σαφή διαχωρισμό των προτύπων των 28oC διαφορετικού οντογενετικού σταδίου (ηλικίας 10 dpf vs 20 dpf). Θα αναμέναμε τα πρότυπα έκφρασης των 28oC να παρουσιάζουν παρόμοιο πρότυπο, κάτι που δεν παρατηρείται. Αυτό οφείλεται στο πειραματικό σφάλμα που υπεισέρχεται από το διαφορετικό χρόνο πραγματοποίησης των δύο πειραμάτων και τις ρυθμίσεις κατά την υβριδοποίηση. Έτσι πραγματοποιήθηκε η κανονικοποίηση των “28”, που απαλείφει το πειραματικό σφάλμα. Οι HCL και PCA αναλύσεις έδειξαν i) σαφή διαχωρισμό των μεταγραφικών προτύπων των 28oC και 32oC ως προς αυτά των 22oC ως αποτέλεσμα της επίδρασης της θερμοκρασίας ανάπτυξης, ii) σαφή διαχωρισμό των προτύπων των 22oC των δύο πειραμάτων ως αποτέλεσμα της επίδρασης της περιόδου εφαρμογής και διάρκειας της θερμοκρασιακής αγωγής και iii) σαφή διαχωρισμό των πρότυπων των 28oC (ηλικίας 10 dpf vs 20 dpf) ως αποτέλεσμα της επίδρασης του οντογενετικού σταδίου. Ακολούθως, πραγματοποιήθηκε ανάλυση σημαντικότητας (SAM) και λειτουργική γονιδιωματική ανάλυση (λογισμικό DAVID) των στατιστικώς σημαντικών γονιδίων που διαφοροποιούν τα πρότυπα. Η ανάλυση των γονιδίων, ως προς την ιστοειδική έκφραση ανέδειξε γονίδια που σχετίζονται με την ανάπτυξη του ματιού, των θωρακικών πτερυγίων και του εγκεφάλου στους πληθυσμούς των 22oC έναντι των 28oC και 32oC. Η παρούσα εργασία αποδεικνύει την επίδραση της θερμοκρασίας ανάπτυξης και της διάρκειας της θερμοκρασιακής αγωγής, καθώς επάγει μηχανισμούς πλαστικότητας στο επίπεδο της γονιδιακής έκφρασης. Τέλος, υποδεικνύεται πως η πρώιμη οντογενετική περίοδος τείνει να είναι περισσότερο θερμοευαίσθητη, καθώς παρατηρείται εντονότερη επίδραση της θερμοκρασίας (στην περίπτωση των 22οC)στην ανάπτυξη του ατόμου. *dpf: days post fertilization / Developmental temperature plays a principal role in the ontogeny of fish. It is known that developmental temperature may shift the initiation time of the ontogenetic stages and induce plasticity in morphological and physiological characters e.g. the musculoskeletal and the cardiovascular system. However, its effect on the gene expression pattern has not previously been attempted for zebrafish. In the present study, zebrafish Affymetrix microarrays of 15,509 probe sets were used to map the transcriptome profile of: a) 20 dpf* old zebrafish larvae at three developmental temperatures, i.e. 22oC, 28oC and 32oC (1st experiment) and b) 20 dpf old zebrafish larvae, which were all grown at 28oC for the first 10 days and subsequently divided into three groups, which were grown at 22oC, 28oC and 32oC, respectively; the profile of 10 dpf old larvae was also measured (2nd experiment). We have isolated total RNA from the above populations and then, hybridization of RNA samples has been done on oligonucleotide Affymetrix microarrays of 15,509 probe sets. All 21 profiles were normalized and filtered (dChip software), and multivariate statistical analysis techniques were used on the normalized 9,488 probe set expression profiles (TM4 MeV software). Hierarchical Clustering (HCL) and Principal Component Analysis (PCA) on expression profiles indicated: a) clear separation of the two experiments based on their transcriptomic patterns, b) clustering of the 28oC and 32oC profiles of the 20 dpf old larvae separately from those at 22oC in both experiments and c) clear separation of the 28oC profiles based on the developmental stage. We would expect expression profiles of 28oC to be clustered together, though this was not observed because of experimental parameters during the hybridization, as the two experiments were carried out independently on different dates. So the normalization of “28” profiles took place, in order to eliminate the experimental noise. HCL and PCA, then, indicated: a) clustering of the 28oC and 32oC profiles of the 20 dpf old larvae separately from those at 22oC, as the effect of developmental temperature, b) clear separation of 22oC profiles of the two experiments, based on the effect of the period and duration of thermal conditions and c) clear separation of the 28oC profiles based on the developmental stage. Then, Significant Analysis of Microarrays (SAM) and Functional Genomic Classification Analysis (DAVID software) of statistically significant genes was carried out. Analysis of genes based on tissue-specific expression indicated characteristic genes for the development of the eye, pectoral fins and brain in 22oC profiles versus 28oC and 32oC profiles. The present study has proved that thermal effect is determinative among the early ontogenetic stage, especially in the case of longer cold thermal period, and developmental temperature may induce plastic response of gene expression, that could affect the fate of fish. *dpf: days post fertilization

Στην παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε γονιδιωματική ανάλυση της επίδρασης αντιψωριασικών φαρμάκων σε καλλιέργειες ανθρώπινων κερατινοκυττάρων με τη χρήση μικροσυστοιχιών DNA. Σε καλλιέργειες κυττάρων HaCaT χορηγήθηκαν τα παράγωγα του ρετινοϊκού οξέος all-trans retinoic acid (ATRA) και acitretin, σε διαβαθμισμένες δόσεις, προκειμένου να διαπιστωθεί η επίδραση τους στα κύτταρα. Μελετήθηκε η βιωσιμότητα των κυττάρων με τις δοκιμασίες της χρωστικής Trypan Blue και ΜΤΤ. Επιλέχθηκαν δύο συγκεντρώσεις (10^-6 και 10^-8 Μ) των φαρμάκων που αντιστοιχούσαν σε βιωσιμότητα κυττάρων περίπου 80%, οι οποίες χορηγήθηκαν εκ νέου σε καλλιέργειες κυττάρων HaCaT. Τα κύτταρα συλλέχθηκαν, έγινε εκχύλιση του RNA και έλεγχος της ποιότητας του με ηλεκτροφόρηση (Bioanalyzer). Το RNA χρησιμοποιήθηκε για την in vitro μεταγραφή cDNA που σημάνθηκε με φθοριοχρώματα και άμεσα ακολούθησε υβριδισμός σε πλακίδιο μικροσυστοιχιών (OneArray) το οποίο περιείχε ανιχνευτές για όλο το ανθρώπινο γονιδίωμα μαζί με τους κατάλληλους μάρτυρες. Σε κάθε πλακίδιο υβριδίστηκαν ταυτόχρονα cDNA από κύτταρα στα οποία είχε χορηγηθεί ρετινοειδές και κύτταρα στα οποία δεν είχε χορηγηθεί. Η επεξεργασία των δεδομένων της σαρώσεως με ειδικό λογισμικό ανέδειξε 700 περίπου γονίδια που ρυθμίζονται θετικά ή αρνητικά σε στατιστικά σημαντικό βαθμό. Για την επαλήθευση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από τις μικροσυστοιχίες, επιλέχθηκαν 34 γονίδια τα οποία συμμετέχουν σε βασικές βιολογικές διεργασίες όπως πρωτεϊνοσύνθεση, κυτταρική σηματοδότηση, πολλαπλασιασμός, κυτταρική διαφοροποίηση, κυτταρικός θάνατος, φλεγμονή. Επιπρόσθετα, επιλέχθηκαν 22 γονίδια τα οποία έχουν επίσης κομβικό ρόλο σε σηματοδοτικά μονοπάτια και κυτταρικές λειτουργίες. Η επιλογή αυτή έγινε για να μελετηθεί πιο σφαιρικά η επίδραση των φαρμάκων σε βασικούς κυτταρικούς μοριακούς μηχανισμούς. Στο σύνολο των επιλεγμένων γονιδίων έγινε ποσοτική Real-Time PCR και για το σκοπό αυτό έγινε σχεδιασμός ειδικών εκκινητών. Η qRT-PCR εν τέλει, επιβεβαίωσε τα αρ-χικά αποτελέσματα από τα microarrays. Διαπιστώθηκε ότι η κυτταρική απόκριση στη χορήγηση των ρετινοειδών, εξειδικευμένα για κάθε δραστική ουσία και για κάθε δόση δεν είναι μονοσήμαντη, αλλά ότι ταυτόχρονα επάγονται λειτουργικά μονοπάτια με διαφορετικούς ρόλους. Επίσης διαπιστώθηκε ότι η μεταβολή κατά δύο τάξεις μεγέθους της δόσης που προσλαμβάνουν τα κύτταρα επάγει αντίρροπες κυτταρικές αποκρίσεις. Συγκεκριμένα, η ολιστική προσέγγιση της μεταβολής της γονιδιακής έκφρασης ανέδειξε ότι η χορήγηση ATRA σε συγκέντρωση 10^-6Μ στις κυτταροκαλλιέργειες ευνοεί την πρωτεϊνοσύνθεση και την διαφοροποίηση των κυττάρων ενώ ασκεί αντιφλεγμονώδη δράση. Η χορήγηση της δραστικής ουσίας ATRA στη δόση 10^-8Μ ευνοεί τη διαφοροποίηση των κυττάρων HaCaT σε μεγαλύτερο βαθμό από τον πολλαπλασιασμό τους. Επιπλέον, φαίνεται ότι σε αντίθεση με τη μεγαλύτερη δόση, ευνοείται η σύνθεση μορίων που επάγουν την φλεγμονή. Παρόμοια, η ασιτρετίνη στη δόση 10^-6Μ ευνοεί τη διαφοροποίηση των κυττάρων και την σύνθεση μορίων που επάγουν τη φλεγμονή. Η ασιτρετίνη στην μικρότερη δόση (10^-8 Μ) ευνοεί κύρια την διαφοροποίηση, λιγότερο τον πολλαπλασιασμό των κυττάρων και φαίνεται ότι προάγει σε σημαντικό βαθμό την απόπτωση. Οι μεγαλύτερες δόσεις των ρετινοειδών που μελετήθηκαν φαίνεται ότι είναι απαγορευτικές για τον πολλαπλασιασμό των κυττάρων σε αντίθεση με τις μικρότερες δόσεις. Επισημαίνεται ότι για τη θεραπεία της ψωρίασης όπου χρησιμοποιούνται, επιθυμητές δράσεις είναι η παραγωγή μορίων με αντιφλεγμονώδη δράση, ο περιορισμός του αυξημένου κυτταρικού πολλαπλασιασμού, αύξηση της κυτταρικής απόπτωσης και τέλος πολύ ση-μαντικό είναι η επιτυχής περάτωση της διαφοροποίησης των κυττάρων. Συμπερασματικά, η χρήση τεχνικών υψηλής απόδοσης, κύρια των μικροσυστοιχιών cDNA που επιτρέπουν την εκτεταμένη μελέτη του γονιδιώματος και της qRT-PCR για πιο στοχευμένη μελέτη, μπορούν να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στην εξακρίβωση μοριακών μηχανισμών. / In the current project we performed gene expression profiling, using cDNA microarrays, when specific doses of derivatives of retinoic acid were applied in HaCaT cell culture. These specific drugs are used in the treatment of psoriasis but their exact effect in molecular level remains elusive. All-trans retinoic acid and acitretin were applied in gradient doses. Cell viability was monitored using MTT and Trypan blue assays. Two specific doses (10^-6 & 10^-8 M), in which cell viability was approximately 80%, were chosen for the treatment of HaCaT cells. Subsequently, the treated cells were collected and RNA was extracted using standard methods. At a next step, RNA quality was examined by electrophoresis (Bioanalyzer) and spectrometry. High quality RNA showing no traces of degradation was used as template for in vitro transcription. Finally, synthesis of fluoro-labeled cDNA was performed from RNA derived from both treated and untreated samples and was immediately hybridized to DNA microarray slides (OneArray). Analysis of the hybridization data was performed using specific software. As a result, 700 genes (both up-regulated and down-regulated) were chosen for further analysis. Among them, 34 genes were chosen to validate the microarrays results by the use of quantitative Real-Time PCR. These genes appeared to play crucial role in basic cellular functions like protein synthesis, signal transduction, cell death, cell differentiation and proliferation. Furthermore, 22 additional essential genes that are related to the above processes were chosen in aim to examine drugs effects. The data processing revealed that the 10^-6 M dose of ATRA has a positive effect in protein synthesis, cell differentiation and anti-inflammatory action. Moreover ATRA at a concentration of 10^-8 M promotes differentiation more than proliferation and it has inflammatory effect as well as acitretin has in 10^-6 M dose. On the other, hand acitretin in 10^-8 M dose facilitates differentiation more than proliferation but mainly induces cell death. Generally, high doses (10-6 M) of the drugs inhibit cell proliferation more efficient than low doses (10-8 M). In fact, during psoriasis treatment, the anti-inflammatory action, inhibition of cell proliferation, induction of cell differentiation and cell death are considered desirable drug effects. Our study shows that cDNA microarray analysis represents a powerful tool that can be used for extended genomic studies and the results that are obtained can be validated and used for the elucidation of several molecular mechanisms.