Das Transkriptom und die menschliche Gesundheit

Das Transkriptom ist die Gesamtheit aller Transkripte (RNA-Moleküle), die zu einem bestimmten Zeitpunkt in einer Zelle, einem Gewebe oder einem Organismus vorhanden sind ¹. Es identifiziert jene Gene, die aktiv transkribiert oder exprimiert werden. Im Gegensatz zum relativ statischen Genom ist das Transkriptom äußerst dynamisch und verändert sich in Abhängigkeit von Umweltbedingungen und Entwicklungsstadien.

Das Genom kann teilweise verändert werden, indem Methylgruppen an Cytosin (C) oder Adenin (A) angefügt werden. Dadurch werden sie in N6-Methyladenin, 5-Methylcytosin und N4-Methylcytosin umgewandelt. Durch spontane Desaminierung von 5-Methylcytosin entsteht Thymin, was zu einer Fehlpaarung zwischen Thymin (T) und Guanin (G) führt, auch bekannt als T:G-Fehlpaarung. Es kann zu einer DNA-Reparatur kommen, bei der das ursprüngliche C:G-Basenpaar oft wiederhergestellt wird. Es kann jedoch vorkommen, dass ein G durch ein A ersetzt wird, wodurch eine Mutation entsteht. Diese Mutation wird von den DNA-Reparaturenzymen nicht korrigiert, wenn sich die doppelsträngige DNA in der Zelle während des Zellzyklus repliziert. Der Strang, der das T trägt, wird in einer der Tochterzellen durch ein A ergänzt, sodass die Mutation dauerhaft wird.

Befinden sich bestimmte DNA-Abschnitte in der Promotorregion eines Gens, wird dadurch in der Regel die Transkription des Gens ausgeschaltet. Bei Säugetieren ist die DNA-Methylierung für die normale Entwicklung unerlässlich und spielt eine wichtige Rolle bei der genomischen Prägung, der Inaktivierung des X-Chromosoms, der Unterdrückung der Transkription transponierbarer Elemente, der Alterung und der Karzinogenese. Die DNA-Methylierung findet fast ausschließlich an CpG-Dinukleotiden statt, wobei die Cytosine auf beiden Strängen in der Regel methyliert sind. Etwa 75 % der CpG-Dinukleotide sind in somatischen Zellen methyliert. Im Gegensatz dazu weisen die Genome der meisten Pflanzen, Wirbellosen, Pilze und Protisten ein Mosaik aus Methylierungen auf. Das heißt, nur bestimmte genomische Elemente sind methyliert.

Bei Säugetieren können Methylgruppen auch aus der DNA entfernt und dann über Generationen hinweg wiederhergestellt werden. Fast alle Methylgruppen der Eltern werden entfernt, zunächst während der Gametogenese und erneut in der frühen Embryogenese, wobei jedes Mal eine Demethylierung und Remethylierung stattfindet.

Bei vielen Krebsarten kommt es jedoch zu einer Hypermethylierung der CpG-Inseln im Genpromotor. Dies führt zu einer Transkriptionsstilllegung, die nach der Zellteilung an die Tochterzellen vererbt werden kann. Veränderungen der DNA-Methylierung sind in vielen Fällen ein wichtiger Bestandteil der Krebsentstehung. Eine Hypomethylierung tritt im Allgemeinen früher auf und steht im Zusammenhang mit chromosomaler Instabilität und dem Verlust der Prägung, während eine Hypermethylierung mit Promotoren assoziiert ist und sekundär zur Stilllegung von Onkogen-Suppressoren auftreten kann.

Beim Menschen und anderen Säugetieren lassen sich anhand des DNA-Methylierungsgrades das Alter von Geweben und Zelltypen genau abschätzen, wodurch eine präzise epigenetische Uhr entsteht. Darüber hinaus kann hochintensives Training zu einer verminderten DNA-Methylierung in Skelettmuskelzellen führen. Auch Veränderungen der DNA-Methylierung im Gehirn könnten für das Gedächtnis und das Lernen von Bedeutung sein.

Diese Veränderungen der DNA-Methylierung führen in der Regel nicht zu dauerhaften Veränderungen der zugrunde liegenden Basensequenz. Im Gegensatz dazu ist die Art und Weise, wie die DNA transkribiert wird, vorübergehend und dynamisch. Dies ermöglicht es Zellen und Organismen, sich schnell an Veränderungen in ihrer Umgebung sowie an solche anzupassen, die durch die vielen für das Leben wesentlichen biologischen Zyklen verursacht werden.

Es gibt viele Arten von RNA. Viele Jahrzehnte lang konzentrierten sich Wissenschaftler auf die Boten-RNA (mRNA), die Transfer-RNA (tRNA) und die ribosomale RNA (rRNA). Man ging davon aus, dass diese Teil einer Maschine seien. Francis Crick stellte das zentrale Dogma der Molekularbiologie auf: Informationen fließen von der DNA zur RNA und weiter zu den Proteinen, die die Maschinerie des Lebens bilden. Es gab sogar eine „Ein-Gen-Ein-Polypeptid“-Hypothese, nach der jedes einzelne Gen für ein einzelnes Peptid oder Protein kodiert. Das heißt, ein Gen wurde als ein DNA-Abschnitt definiert, der für ein Protein oder Polypeptid (wie beispielsweise Insulin) kodiert. Heute wissen wir, dass es wichtige Ausnahmen davon gibt. Beim Menschen können aus nur etwa 20.000 Genen Millionen verschiedener Proteintypen gebildet werden. Das heißt: Wenn wir mit Hunderttausenden oder Millionen von Antigenen in Kontakt kommen, bildet unser Immunsystem Millionen von Antikörpern. Dies geschieht durch das Spleißen von Teilen von Gensegmenten, wie beispielsweise bei Genen, die für die variablen, diversitäts- und Verbindungsregionen von Antikörpern im menschlichen Immunsystem kodieren.

Wir haben außerdem gelernt, dass es noch andere wichtige Arten von RNA gibt. Nur etwa 2 % des menschlichen Kerngenoms kodieren für mRNA, die für Proteine kodiert (oder deren Vorläufer, die hnRNA, also die heterogene nukleäre RNA). Zur Bildung menschlicher Proteine wird die DNA zunächst in hnRNA transkribiert, die dann in mRNA umgewandelt wird, welche wiederum in Polypeptide oder Proteine translatiert werden kann. Proteine bieten strukturelle Unterstützung, katalysieren viele verschiedene Reaktionen in den Zellen und unterstützen die interzelluläre Kommunikation. Wenn RNA-Moleküle als Katalysatoren wirken, werden sie als RNA-Enzyme, Ribozyme oder katalytische RNA bezeichnet.

Gene können in Pflanzen und einigen Wirbellosen auch durch kleine interferierende RNAs (siRNAs) stillgelegt werden. Sie werden derzeit in klinischen Studien zur Behandlung einer Vielzahl von Krankheiten eingesetzt. Einige nicht-kodierende RNAs werden durch Dicer und Drosha zu Dicer- und Drosha-abhängigen RNAs (DDRNAs) verarbeitet, die eine wesentliche Rolle bei der Reaktion der Zellen auf DNA-Schäden spielen. Dicer katalysiert die hydrolytische Spaltung langer doppelsträngiger DNA in kürzere siRNA-Fragmente, die etwa 20 Nukleotide enthalten. Diese gelangen ins Zytoplasma und interagieren mit dem RNA-induzierten Silencing-Komplex (RISC). Sie binden an mRNA, indem sie bereits an 6–8 Nukleotide in der Seed-Region am 5'-Ende der miRNA binden. Argonaute-Proteine im RISC können miRNAs, siRNAs und piwi-interagierende RNAs (piRNAs) binden, um die Translation von mRNA in Proteine zu verhindern. Die piRNAs bilden Komplexe mit piwi-Proteinen, die mit der epigenetischen und posttranskriptionellen Genstilllegung von Retrotransposons und anderen genetischen Elementen in Keimbahnzellen in Verbindung gebracht werden, insbesondere während der Spermatogenese.

Die piRNAs binden an piwi-Proteine, um Transposons zu unterdrücken und das Genom vor dieser Art von Mutationen zu schützen. Sie lösen die Bildung einer weiteren Klasse kleiner RNAs aus, der sogenannten 22G-RNAs, die die Transposons stilllegen. Somit fungieren die piRNAs als Teil des Immunsystems, das mRNA von exogenen und schädlichen RNAs unterscheidet. Die Gene, die für piwi-Proteine kodieren, wurden erstmals als „P-Element-induziertes wimpy (piwi) testis“ bei Drosophila beschrieben. Heute weiß man, dass sie regulatorische Proteine kodieren, die dazu beitragen, die unvollständige Differenzierung in Stammzellen und die Zellteilungsrate in Keimbahnzellen aufrechtzuerhalten.

Einige Gene kodieren für siRNAs. Diese sorgen für genomische Stabilität, indem sie endogene egoistische genetische Elemente wie Retrotransposons und repetitive Sequenzen stilllegen. Die siRNAs bestehen aus 21 bis 25 Basenpaaren. In der Forschung werden sie eingesetzt, um bestimmte Proteine herunterzuregulieren (d. h. die Expression bestimmter Gene vorübergehend zu reduzieren oder zu hemmen, in der Regel durch den Abbau der entsprechenden mRNAs, bevor diese in Proteine übersetzt werden können). Es gibt auch einige DNA-Abschnitte, die für andere Arten von RNA-Molekülen kodieren, darunter solche, die als Katalysatoren fungieren, und andere, die die Transkription und Translation regulieren (wie beispielsweise siRNA).

Einige dieser RNAs können an DNA oder mRNA binden und diese dadurch aktivieren oder deaktivieren. Im Laufe des Lebens einer Zelle müssen verschiedene Gene als Reaktion auf Umweltreize genau zum richtigen Zeitpunkt ein- oder ausgeschaltet werden. Die dafür benötigten RNAs und Proteine werden zum richtigen Zeitpunkt und an den richtigen Stellen in der Zelle gebildet. Bei Krebs hingegen kann die Transkription bestimmter DNA-Abschnitte (Onkogene) aktiv bleiben, obwohl sie eigentlich ausgeschaltet werden sollte.

Außerdem gibt es Tausende von langen nichtkodierenden RNAs, sogenannte lncRNAs, die andere Gene koordinieren und regulieren und selbst von bestimmten Schlüsselproteinen reguliert werden^2-3. Mindestens eine davon, die lncRNA-p21, wird direkt vom Onkoprotein p53 reguliert. Sie bildet durch die Bindung an einen Kernfaktor ein lncRNA-Ribonukleoprotein (RNP). Dabei handelt es sich um einen Transkriptionsrepressor, der die p53-vermittelte Apoptose fördert.

Somit spielen einige lncRNAs wichtige Rollen in der Krebsentstehung. Es gibt zudem lange intergene RNAs (lincRNAs), die sich nicht mit proteinkodierenden Genen überschneiden. Sie verfügen über hochkonservierte Promotorregionen, die die Bindung und direkte Regulation essenzieller Transkriptionsfaktoren ermöglichen. Darüber hinaus gibt es Antisense-lncRNAs, die sich mit bekannten, für Proteine kodierenden Genen überschneiden, sowie intronische lncRNAs, die innerhalb der Introns von proteinkodierenden Genen kodiert sind. Die lncRNAs bilden eine verborgene, aber entscheidende Ebene im genetischen Regulationscode. Etwa ein Drittel von ihnen ist mit Chromatin-modifizierenden Komplexen assoziiert, die wichtige zelluläre Signalwege modulieren. Zudem enthält gereinigtes Chromatin doppelt so viel RNA wie DNA.

Außerdem kodieren einige Gene nicht für Proteine, sondern für kleine RNA-Stücke, wie beispielsweise miRNA. Das heißt, miRNA ist einzelsträngig und enthält etwa 22 Nukleotide. Viele verbleiben in den Zellen, andere hingegen (extrazelluläre miRNAs) können in der extrazellulären Umgebung zirkulieren. Beide Typen können an mRNA binden und verhindern, dass diese in ein Polypeptid oder Protein übersetzt wird. Zunächst wird jedoch eine längere, primäre miRNA (pri-miRNA) aus der DNA transkribiert. Die pri-miRNA weist doppelsträngige Haarnadelstrukturen auf, die von einem Protein im Zellkern erkannt werden. Dieser Komplex aus dem Kernprotein und der pri-miRNA verbindet sich mit dem Drosha-Protein und bildet einen Mikroprozessor-Komplex. Dieser spaltet die pri-miRNA unter Bildung einer vorläufigen miRNA (pre-miRNA). Die pre-miRNA wird aus dem Zellkern in das Zytosol transportiert. Dort wird sie in einer durch das RNase-Enzym Dicer katalysierten Reaktion weiter hydrolysiert, wodurch miRNA entsteht. Die miRNAs können sich dann an bestimmte mRNAs binden, um deren Translation in Proteine zu verhindern. Dies ist ein wichtiger Bestandteil der posttranskriptionellen Regulation der Genexpression.

Nichtkodierende RNAs (nkRNA) spielen ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Expression von Genen, die an zirkadianen Rhythmen beteiligt sind⁴. Beispielsweise können miRNAs die Genexpression regulieren, indem sie mRNA abbauen oder die Translation in Peptide oder Proteine unterdrücken, während lncRNAs und zirkuläre RNAs (zirkRNAs) die Chromatinorganisation, die Aktivität von Transkriptionsfaktoren, die RNA-Stabilität, Protein-Wechselwirkungen und Netzwerke konkurrierender endogener RNAs modulieren können. Das heißt, miRNAs, lncRNAs und circRNAs können als molekulare Leitfäden, Gerüste, Köder oder Schwämme fungieren, die gemeinsam die Expression mehrerer Gene feinabstimmen. Viele miRNAs werden rhythmisch exprimiert. Sie regulieren zentrale Komponenten des Oszillators. So ist beispielsweise miR-375 durch seine direkte Interaktion mit dem Uhrgen timeless (zeitlos) ein wichtiger posttranskriptioneller Regulator des zirkadianen Rhythmus.

Zudem spielen miRNAs eine wichtige Rolle bei der Chromosomensegregation, der Differenzierung sich entwickelnder Zellen, dem Stoffwechsel und dem programmierten Zelltod (Apoptose). Defekte bei miRNAs werden mit Krebs und Diabetes in Verbindung gebracht. So ist beispielsweise miRNA-802 bei Typ-II-Diabetes hochreguliert. Zudem können doppelsträngige miRNAs an komplementäre Abschnitte der DNA binden und so deren Transkription in mRNA unterbinden. Andere Arten von RNA, sogenannte nichtkodierende RNA-Aktivatoren, können die Transkription aktivieren, indem sie mit dem Mediator-Proteinkomplex interagieren und so die Struktur des Chromatins stabilisieren.

Einige miRNAs sind jedoch sehr vorteilhaft für die menschliche Gesundheit. Dazu gehören auch miRNAs in der Muttermilch^5-6. Muttermilch enthält Nährstoffe (Proteine, Fette, Kohlenhydrate, Mineralstoffe und Vitamine) sowie weitere bioaktive Verbindungen wie Lactoferrin, Immunglobuline, Wachstumsfaktoren, Oligosaccharide und mehrfach ungesättigte Fette. Im Gegensatz zu Säuglingsnahrung, die einen konstanten Nährstoffgehalt aufweist, passt Muttermilch ihren Nährstoffgehalt an die Bedürfnisse des Säuglingswachstums in den verschiedenen Entwicklungsstadien an.

Sie hinterlässt eine bleibende molekulare Signatur, die das Wachstum sowie die Entwicklung eines gesunden neuroendokrinen Immunsystems und die Darmgesundheit des Neugeborenen optimiert. Aus der menschlichen Muttermilch gewonnene Exosomen sind bioaktive Vesikel, die eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Integrität und des dynamischen Gleichgewichts der Darmbarrierefunktion von Säuglingen und Kleinkindern spielen. Sie enthalten über 1.400 verschiedene microRNAs. Vorwiegend gestillte Säuglinge weisen häufig eine verringerte DNA-Methylierung des Glukokortikoidrezeptor-Gens auf, was zu einer verminderten Cortisolreaktivität auf Stress führt.

Von den etwa 2.650 reifen miRNAs im menschlichen Körper kommen nur wenige (35–40) im Zentralnervensystem (ZNS) in sehr hoher Konzentration vor. Dies deutet stark darauf hin, dass ein hochselektiver evolutionärer Druck bestand, der das ZNS dazu veranlasste, ausschließlich diese einzelsträngigen ncRNAs für produktive miRNA–mRNA-Wechselwirkungen und die Herunterregulierung der Genexpression zu nutzen. Sie sind an der interzellulären Signalübertragung beteiligt und tragen zur Regulierung der Embryonalentwicklung, der Neurogenese im Erwachsenenalter sowie der Reaktionen auf Umweltreize bei. Darüber hinaus regulieren DNA-Methylierung und Histonmodifikationen die miRNA-Expression. Zudem speichern Mitochondrien viele miRNAs und beeinflussen deren Aktivitäten. Gleichzeitig sind miRNAs in Dendriten und Synaptosomen angereichert. Sechs davon sind bei der Alzheimer-Krankheit hochreguliert.

Sie können einen Großteil der Neuropathologie dieser häufigen, altersbedingten, entzündlichen neurodegenerativen Erkrankung erklären. Darüber hinaus sind miRNAs am Fragilen-X-Syndrom, am Rett-Syndrom, an Autismus-Spektrum-Störungen, an schweren depressiven Störungen, an Schizophrenie und an der Parkinson-Krankheit beteiligt. Sechs induzierbare, proinflammatorische miRNAs, die im Zentralnervensystem reichlich vorhanden sind, sind bei der sporadischen Alzheimer-Krankheit hochreguliert. Sie scheinen maßgeblich zum sporadischen Krankheitsverlauf beizutragen und können einen Großteil der Neuropathologie erklären.

Zudem werden die DNA-Sequenzen, auf die miRNAs abzielen, zusammen mit onkolytischen Viren genutzt, um Gene für eine Vielzahl von Therapien zu exprimieren. Das heißt, manche Viren können genetisch so verändert werden, dass sie Gene enthalten, die Krebszellen abtöten können (daher werden sie als onkolytisch bezeichnet). Diese Strategie ist mittlerweile so weit ausgereift, dass damit hochwirksame onkolytische Viren mit deutlich geringerer Toxizität als herkömmliche Krebsmedikamente hergestellt werden können. Sie verbessern die Verabreichung, Wirkdauer und therapeutische Wirksamkeit von miRNA-basierten Therapeutika, die die Funktion von dysregulierten miRNAs in Krebszellen entweder wiederherstellen oder hemmen. Das Ergebnis sind zunehmend wirksamere und sicherere Krebstherapien.

Ähnlich wie bei der hnRNA werden die Vorläufer von rRNA und tRNA hydrolysiert und anschließend ligiert, um mRNA, rRNA oder tRNA zu bilden. Manchmal wirken die Vorläufer-RNA-Moleküle als ihre eigenen Katalysatoren und beschleunigen so den Prozess. Somit sind nicht nur mRNA, sondern auch andere Formen der RNA von Bedeutung. Tatsächlich macht die rRNA, die im Nukleolus eukaryotischer Zellen gebildet wird, den größten Teil der RNA in eukaryotischen Zellen aus. Im Nukleolus werden Ribosomen zusammengesetzt.

Zudem können andere Formen der RNA die Genexpression und die Translation von mRNA in viele verschiedene Proteine regulieren. Es gibt zudem entscheidende Abschnitte des menschlichen Genoms, die für die Mikro-RNAs oder miRNAs kodieren. Sie bewirken, dass manche mRNAs in Proteine übersetzt werden, während sie bei anderen die Übersetzung verhindern. Viele miRNAs spielen eine wichtige Rolle für die Herz-Kreislauf-Gesundheit, bei der Alzheimer-Krankheit, der amyotrophen Lateralsklerose (ALS), Autoimmunerkrankungen, Entzündungsreaktionen, der Insulinsensitivität und der Empfindlichkeit gegenüber Antidepressiva.

Gleichzeitig regulieren miRNAs die Genexpression in anderen Säugetierzellen und werden in verschiedenen Geweben in unterschiedlichem Maße exprimiert. Forscher nutzen miRNAs, um Sequenzen anzusteuern, die sowohl die Expression exogener Gene als auch die Gewebe steuern, in denen das Viruswachstum gefördert wird. Dies wird genutzt, um die therapeutischen Indizes onkolytischer Viren zu verbessern, die therapeutische Transgene exprimieren. Ihre Bemühungen haben zu vielversprechenden neuen Therapien und möglichen Heilungsmöglichkeiten für viele Krebsarten geführt. Diese onkolytischen Viren sind wirksamer, können viele Spezies infizieren und weisen eine geringere Toxizität auf als herkömmliche Krebsmedikamente.

Darüber hinaus wurden onkolytische Viren eingesetzt, um die Verabreichung, die Wirkdauer und die therapeutische Wirksamkeit von Therapien auf Basis von miRNAs zu verbessern, die darauf ausgelegt sind, die Funktion dysregulierter miRNAs in Krebszellen entweder wiederherzustellen oder zu hemmen. Jüngste Bemühungen, die sich auf die Kombination von onkolytischer Virentherapie und miRNA-Regulierung konzentrieren, haben großes Interesse und erhebliche Investitionen in die Entwicklung wirksamer und sicherer Krebstherapien und Heilungsmöglichkeiten geweckt.

Die miRNAs sind in der Regel in Introns kodiert. Zunächst werden sie von der DNA transkribiert, wodurch eine lange RNA entsteht, die als Primär-RNA oder pri-RNA bezeichnet wird und zahlreiche miRNAs enthalten kann, darunter auch kurze Hairpin-RNAs (shRNAs). Diese werden im Zellkern teilweise abgebaut, wodurch kürzere (etwa 70 Nukleotide lange) Vorläufer-miRNAs (pre-miRNAs) entstehen. Dies wird durch einen Proteinkomplex namens „Microprocessor“ katalysiert. Er enthält eine RNA-Hydrolase (RNase III) namens Drosha.

Die pre-miRNA wird aus dem Zellkern exportiert und in einer Reaktion hydrolysiert, die von einem anderen RNase-III-Enzym namens Dicer katalysiert wird, wodurch die reife miRNA entsteht. Die unvollständig komplementären miRNA-Duplexe enthalten einen Passagierstrang und einen Leitfadenstrang. Dieser bindet an einen RNA-induzierten Silencing-Komplex (RNA-induced silencing complex oder RISC). Der RISC wird durch den miRNA-Strang zu seinem mRNA-Ziel geführt. Der Passagierstrang wird entfernt, und der Führungsstrang bindet an sein mRNA-Ziel. Der RISC-Komplex kann Gene stilllegen, indem er entweder die Translationsinitiation hemmt oder den Komplex zu zytoplasmatischen Verarbeitungskörpern (p-Bodies) transportiert, wo die mRNA deadenyliert und zerstört wird.

Eine Art von miRNA, die sogenannten Mirtrons, wird nicht von Drosha gespalten. Stattdessen entsteht durch Spleißen und Entverzweigung ein Prä-miRNA-Substrat für Dicer. Sobald sie von Dicer hydrolysiert wurden, funktionieren sie genauso wie Dicer-abhängige miRNAs. Es gibt auch einige nicht-kodierende RNAs, die aus Introns stammen, aber nicht von Dicer hydrolysiert werden. Sie werden als Agotrons bezeichnet. Ihre reife Struktur ähnelt der von Prä-miRNAs. Sie sind bei Säugetieren hochkonserviert und werden durch Argonaute-Proteine stabilisiert. Sie induzieren die Unterdrückung der Transkription von mRNA-Zielgenen auf die gleiche Weise wie miRNAs. Dies ist ein weiterer Weg, auf dem kurze Introns die Genexpression regulieren können.

Nachdem viele Introns aus der hnRNA entfernt wurden, werden sie durch Hydrolyse abgebaut. Befindet sich ein RNA-Gen jedoch innerhalb eines Introns, wird es exprimiert und bildet miRNAs, kleine nukleoläre RNAs, kleine interferierende RNAs (siRNAs) sowie verschiedene lange nicht-kodierende RNAs (lncRNAs). Einige lncRNAs können als Onkogene fungieren. Es wird angenommen, dass viele Gene ihre Expression durch die ncRNAs in ihren Introns selbstregulieren. Es sei darauf hingewiesen, dass man bei der Entdeckung der Introns zunächst davon ausging, dass sie nur in Eukaryoten und nicht in Prokaryoten vorkommen.

Außerdem könnten miRNAs als nützliche Biomarker für Erkrankungen wie beispielsweise Lungenkrebs im Frühstadium dienen⁷. Die Transkriptome von Patienten mit Lungenkrebs im Frühstadium wurden analysiert. Ziel war es, vielversprechende Biomarker und die damit verbundenen Stoffwechselfunktionen zu identifizieren. Die statistische Analyse ergab, dass die Genexpression in drei Stadien erfolgt. Es wurden zwei Hauptcluster identifiziert, die aus Genen mit hoher Variabilität innerhalb der drei Stadien bestanden. Außerdem wurden für die Stadien I bis III jeweils 7.742, 6.611 und 643 Gene identifiziert. Die topologische Analyse des Protein-Protein-Interaktionsnetzwerks ergab sieben potenzielle Biomarker.

Darüber hinaus erweist sich KI bei der Entdeckung von Biomarkern und der Entwicklung neuer Therapien als nützlich⁸. Maschinelles Lernen (ML) wird zur Analyse von Transkriptomdaten eingesetzt. Es vertieft unser Verständnis von Krankheitsmechanismen. Außerdem hilft es bei der Identifizierung wichtiger Biomarker, beschleunigt die Entwicklung neuer Medikamente und liefert Vorschläge für therapeutische Maßnahmen. KI-Modelle haben Krebs-Transkriptome analysiert, indem sie die Analysen automatisiert und die Auswertung von RNA-Sequenz-Datensätzen erleichtert haben, um Krebs-Subtypen, Biomarker und Tumorheterogenität aufzudecken.

KI-Modelle unterteilen Datensätze in Trainings- und Testdatensätze. Proben, die die Trainingsdatensätze enthalten, werden einer Vorverarbeitung und Merkmalsauswahl unterzogen, um die Dimensionen der Daten zu reduzieren. Dabei werden Merkmale identifiziert, die Schlüsselgene repräsentieren, während irrelevante Datensätze eliminiert werden. Überwachte Klassifikationsalgorithmen werden eingesetzt, um Gensignaturen zu identifizieren, die Gene anhand ihrer Expressionsmuster klassifizieren. KI nutzt verschiedene Modelle zur Durchführung der RNA-Sequenzanalyse, wie beispielsweise Support-Vektor-Maschinen, Random Forest und logistische Regression.

Regressionsmodelle sagen Zielkennungen auf der Grundlage der Art der Trainingsdaten voraus. Sie analysieren die Expressionsniveaus verschiedener Gene, die in der Probe vorhanden sind. Mehrere Regressionsmodelle können verwendet werden, um eine Pathway-Anreicherungsanalyse der differentiell exprimierten Gene auf der Grundlage von Veränderungen der Genexpression durchzuführen. Dies minimiert Datenredundanz und Rauschen und identifiziert gleichzeitig wichtige Gene, die an der Pathogenese beteiligt sind.

Es gibt eine Datenbank für Gen-Signaturen im Zusammenhang mit dem Ansprechen auf Krebsbehandlungen (CTR-DB)⁹. Es handelt sich um die erste Datenquelle für klinische Transkriptome, die Reaktionen auf Krebsbehandlungen enthält. Sie unterstützt zudem verschiedene Funktionen zur Datenanalyse und liefert Einblicke in die molekularen Determinanten der Arzneimittelresistenz. Es gibt eine aktualisierte Version, CTR-DB 2.0.

Sie umfasst etwa 190 aktuelle Quelldatensätze mit Informationen zur Primärresistenz sowie 13 Datensätze zur erworbenen Resistenz und deckt damit 10.856 Patientenproben, 39 Krebsarten und 346 Therapieschemata ab. Zudem wurden in CTR-DB 2.0 neue Funktionen zur Gen-Set-Anreicherung, zur Analyse der Tumormikroumgebung (TME) und zur Signatur-Konnektivitätsanalyse hinzugefügt, um Mechanismen der Arzneimittelresistenz zu identifizieren und Kandidaten für Kombinationstherapien zu entdecken. Darüber hinaus wurden die Funktionen im Zusammenhang mit Biomarkern erheblich erweitert. CTR-DB 2.0 unterstützte die Validierung von Zelltypen in der TME als prädiktive Biomarker für das Ansprechen auf die Behandlung. Dies erwies sich insbesondere bei der Validierung eines kombinierten Biomarker-Panels und der Ermittlung des optimalen Biomarker-Panels unter Verwendung von benutzerdefinierten CTR-DB-Patientenproben als nützlich. Die Analyse eigener Datensätze der Nutzer, eine Anwendungsprogrammierschnittstelle sowie Daten-Crowdfunding wurden ebenfalls hinzugefügt.

Wir wissen also mittlerweile, dass Gene weit mehr als nur mRNA, tRNA und rRNA kodieren. Darüber hinaus ist uns bewusst, dass Informationen nicht in einer linearen Richtung fließen. Sie fließen nicht immer von der DNA über die RNA zu den Proteinen. Viele Arten von RNA und Proteinen können Informationen zurück an die DNA in unseren Genomen senden. Sie können beeinflussen und steuern, wann Gene transkribiert werden und wie der Transkriptionsprozess beschleunigt oder verlangsamt werden kann. Es handelt sich um einen zirkulären und nichtlinearen Prozess. Die Hypothese „Ein Gen – ein Polypeptid“ wird durch epigenetische Daten nicht gestützt.

Gene in unseren menschlichen Zellen können entweder gar kein Protein (sondern nur RNA), nur ein Polypeptid oder Protein oder viele Proteine kodieren. Allerdings befinden sich 99 % der proteinkodierenden Gene in unserem Körper nicht in unseren menschlichen eukaryotischen Zellen. Sie befinden sich in den Bakterien in unserem Darm. Der menschliche Körper ist ein komplexes Ökosystem mit einem vielfältigen Mikrobiom. Seine Gene sind kein Bauplan für eine Maschine. Sie sind Teil eines dynamischen lebenden Systems, das sich schnell und angemessen an Umweltveränderungen und die vielen Rhythmen des Körpers anpasst. Dies geschieht durch Epigenetik. Daher wird das menschliche Transkriptom mit allen uns zur Verfügung stehenden Mitteln, einschließlich KI, untersucht und analysiert.