Η HDL είναι ένα μείγμα λιποπρωτεϊνικών σωματιδίων υψηλής πυκνότητας, που ανάλογα με τη σύσταση τους σε λιπίδια μπορούν να είναι δισκοειδή ή σφαιρικά. Η κύρια αθηροπροστατευτική δράση της HDL, οφείλεται στο γεγονός ότι η συγκεκριμένη λιποπρωτεΐνη συλλέγει την περίσσεια χοληστερόλης από τους περιφερικούς ιστούς και τη μεταφέρει στο ήπαρ όπου καταβολίζεται. Επιπλέον, έχει αντιφλεγμονώδη και αντιοξειδωτική δράση. Η κύρια πρωτεΐνη της HDL είναι η απολιποπρωτεΐνη Α-Ι (apoA-I). Ωστόσο, πρόσφατα αποδείχθηκε ότι σε πειραματόζωα με έλλειψη στην apoA-I και κατά συνέπεια στην κλασσική HDL, η απολιποπρωτεΐνη Ε (apoE) αλληλεπιδρά με τον μεταφορέα λιπιδίων ABCA1 προάγοντας την de novo σύνθεση HDL σωματιδίων. Στην παρούσα μελέτη, στόχος ήταν η εύρεση της περιοχής της apoE που είναι υπεύθυνη για την λειτουργική αλληλεπίδραση με τον ABCA1 για το σχηματισμό HDL. Για το σκοπό αυτό, ανασυνδυασμένοι αδενοϊοί που εξέφραζαν καρβοξυ-τελικές συντετμημένες μορφές της apoE4 (AdGFP-E4[1-259], AdGFP-E4[1-229], AdGFP-E4[1-202], AdGFP-E4[1-185]), χορηγήθηκαν σε ποντίκια με έλλειψη στην ApoA-I σε δόση 8x108 pfu και πέντε μέρες μετά τη μόλυνση δείγματα πλάσματος αναλύθηκαν για το σχηματισμό HDL. Κλασματοποίηση των λιποπρωτεϊνών του πλάσματος με υπερφυγοκέντρηση σε διαβάθμιση πυκνότητας καθώς και FPLC χρωματογραφία αποκάλυψε ότι όλες οι συντετμημένες μορφές της apoE4 προάγουν το σχηματισμό HDL. Ανάλυση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας με αρνητική χρώση των HDL κλασμάτων, επιβεβαίωσε ότι όλες οι συντετμημένες μορφές της apoE4 είναι ικανές να προάγουν το σχηματισμό σωματιδίων με διάμετρο στην περιοχή της HDL. Τα δεδομένα αυτά οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η αμινοτελική περιοχή της apoE που εκτείνεται από τα αμινοξέα 1 έως 185 αρκεί για το σχηματισμό HDL σωματιδίων in vivo. Αυτά τα ευρήματα, ανοίγουν το δρόμο στην έρευνα για το σχεδιασμό βιολογικών φαρμάκων με βάση την apoE για τη θεραπεία της δυσλιπιδαιμίας, της αθηροσκλήρωσης και της στεφανιαίας νόσου. / HDL is a mixture of high density lipoprotein particles that depending on the lipid composition may be discoidal or spherical. The main atheroprotective property of HDL is reverse cholesterol transport, a process that unloads excess cholesterol from peripheral tissues and transports it to the liver for catabolism. HDL has also anti-inflammatory and antioxidant properties. The main protein of HDL is apolipoprotein A-I (apoA-I). However, recently it was shown that in the absence of apoA-I and consequently classical HDL, apolipoprotein E (apoE) interacts functionally with the lipid transporter ABCA1, promoting the de novo synthesis of HDL-like particles. The present study focused on the identification of the domain of apoE that is responsible for the functional interaction with ABCA1 and the formation of apoE-containing HDL. Recombinant attenuated adenoviruses expressing carboxy-terminal truncated forms of apoE4 (apoE4[1-259], apoE4[1-229], apoE4[1-202], and apoE4[1-185]) were administered to apoA-I-deficient mice at a low dose of 8x108 pfu and five days post-infection plasma samples were isolated and analyzed for HDL formation. Fractionation of plasma lipoproteins of the infected mice by density gradient ultracentrifugation and FPLC revealed that all forms were capable of promoting HDL formation. Negative staining electron microscopy analysis of the HDL density fractions confirmed that all C-terminal truncated forms of apoE4 promoted the formation of particles with diameters in the HDL region. Taken together, these data establish that the aminoterminal 1 to 185 region of apoE suffices for the formation of HDL particles in vivo. These findings may have important ramifications in the design of apoE-based biological drugs for the treatment of dyslipidemia, atherosclerosis and coronary heart disease.

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.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνονται μεθοδολογίες υπολογιστικής νοημοσύνης για την επεξεργασία και ανάλυση δεδομένων γονιδιακής έκφρασης μικροσυστοιχιών cDNA. Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο σκέλος αναπτύσσονται δύο νέες προσεγγίσεις για την εύρωστη εκτίμηση και διόρθωση του θορύβου υποβάθρου: η διόρθωση υποβάθρου βάσει εκατοστημορίων και η διόρθωση υποβάθρου βάσει παλινδρόμησης loess. Οι προσεγγίσεις αυτές καινοτομούν κυρίως στο ότι χρησιμοποιούν μία εύρωστη εκτίμηση του θορύβου υποβάθρου, γεγονός που τις καθιστά ιδανικές σε περιπτώσεις, όπου τα δεδομένα είναι θορυβώδη. Επιπροσθέτως, αναπτύσσεται ένα νέο, γενικής χρήσεως, πλαίσιο για τη συστηματική αξιολόγηση του βαθμού επίδρασης των μεθόδων διόρθωσης υποβάθρου. Μέσω του πλαισίου αυτού, οι δύο προτεινόμενες προσεγγίσεις, καθώς και άλλες ευρέως χρησιμοποιούμενες μέθοδοι, αξιολογούνται βάσει εφαρμογής τους σε διαφορετικά σύνολα δεδομένων αυτο-υβριδοποίησης, με τις πρώτες να εμφανίζουν ιδιαιτέρως καλή απόδοση. Το πλαίσιο αυτό καινοτομεί στο ότι ενσωματώνει νέα κριτήρια και τρόπους γραφικής απεικόνισης. Τόσο οι προτεινόμενες μέθοδοι εκτίμησης και διόρθωσης θορύβου υποβάθρου, όσο και το πλαίσιο συστηματικής αξιολόγησής τους, συνιστούν μία νέα, ενδελεχή μελέτη που προσανατολίζει στην εφαρμογή ή απόρριψη μίας συγκεκριμένης προσέγγισης, συνεισφέροντας εν τέλει στην κατάκτηση καλλίτερης ποιότητας δεδομένων μικροσυστοιχιών. Επίσης, στο δεύτερο σκέλος της διατριβής αναπτύσσεται ένα νέο, ολοκληρωμένο και γενικής χρήσεως πλαίσιο ανάλυσης δεδομένων μικροσυστοιχιών ούτως, ώστε να διερευνηθεί το ζήτημα εάν στην T-λευχαιμική κυτταρική σειρά CCRF-CEM επικρατούν εγγενείς ή επίκτητοι μηχανισμοί αντοχής στην πρεδνιζολόνη. Συγκεκριμένα, καταλλήλως επιλεχθέντα δεδομένα μικροσυστοιχιών cDNA – που διευκολύνουν την εξέταση τόσο της εξαρτώμενης από τη συγκέντρωση δράσης, όσο και της δυναμικής της ανταπόκρισης στην πρεδνιζολόνη (πρώιμη και όψιμη δράση) – γίνονται αντικείμενο επεξεργασίας και ενδελεχούς ανάλυσης, και βάσει συγκεκριμένων, προ-διατυπωμένων συλλογισμών, προσεγγίζεται το εν λόγω ερώτημα. Το πλαίσιο αυτό είναι καινοτόμο, εφόσον, πέραν του ότι ενσωματώνει μία πρωτότυπη ακολουθία μεθόδων, προσεγγίζει συστηματικά το πρόβλημα της εγγενούς ή επίκτητης αντοχής, συνεισφέροντας, έτσι, στην ευρύτερη προσπάθεια διερεύνησης των επακριβών μηχανισμών αντοχής των λευχαιμικών κυττάρων στα γλυκοκορτικοειδή. Τα αποτελέσματα από την εφαρμογή του στα δεδομένα της εν λόγω κυτταρικής σειράς συνηγορούν υπέρ της ύπαρξης μίας σύνθετης ανταπόκρισης του υπό μελέτη συστήματος στα γλυκοκορτικοειδή, η οποία όμως τείνει περισσότερο προς έναν εγγενή μηχανισμό αντοχής. / In the present Ph.D. thesis, computational intelligence methods for processing and analyzing cDNA microarray gene expression data are designed and developed. More specifically, in the first part of this thesis, the problem of background estimation and correction of two-channel microarray data is addressed and two novel algorithms are proposed, namely the percentiles-based and the loess-based background correction methods. Both approaches are based on the multiplicative model of background, while utilizing robust background noise estimators, thus making them ideal for noisy datasets. Furthermore, a new, generic framework for the systematic evaluation of the impact of the background estimating methodologies is suggested, whereupon the aforementioned methods as well as other approaches are evaluated by application to various publicly available self-self hybridization datasets. As suggested by this thorough, comparative evaluation our algorithms perform very well regarding noise reduction. The evaluation framework, which is based mainly on different and widely used statistical measures, incorporates new criteria and visualization methods. Moreover, it represents a novel, detailed contribution to the examination of the impact of background correction methods to the final interpretation of microarray experiments, conferring explicit guidance on the pros and cons of them and when they should be applied. Additionally, in the second part of this thesis, a new, generic, computational microarray data analysis framework is described, in order to examine the hypothesis of whether the resistant T-cell leukemia cell line CCRF-CEM posses an intrinsic or exert an acquired mechanism of resistance and to investigate the molecular imprint of this, upon prednisolone treatment. More analytically, using the above explained computational analysis workflow, microarray data that enable the examination of both the dose effect of prednisolone exposure and the dynamics (early and late) of the molecular response of the cells at the transcriptomic layer, are systematically analyzed based on specific, predefined formulations. The analysis of the results supports a complex mechanism of action for the cells which seems to favor though more the intrinsic mechanism of resistance.