معلومة

18: علم الجينوم التنظيمي - علم الأحياء


18: علم الجينوم التنظيمي

علم الجينوم في أرض العلوم التنظيمية

لعب علم الجينوم دورًا رئيسيًا في توليد معرفة جديدة في مجال البحث الأساسي ، ويطرح التساؤل حاليًا حول قدرته على دعم العمليات التنظيمية. ومع ذلك ، فإن دمج الجينوميات في عملية صنع القرار التنظيمي يتطلب تقييمًا صارمًا ويمكن أن يستفيد من الإجماع بين الشركاء الدوليين ومجتمعات البحث. ولهذه الغاية ، استضاف التحالف العالمي لبحوث العلوم التنظيمية (GCRSR) القمة العالمية الرابعة للعلوم التنظيمية (GSRS2014) لمناقشة دور الجينوميات في اتخاذ القرارات التنظيمية ، مع التركيز بشكل خاص على التطبيقات في مجال سلامة الأغذية وتطوير المنتجات الطبية. نوقشت التحديات والقضايا في سياق تطوير توافق دولي في الآراء بشأن معايير موضوعية في تحليل وتفسير وتقديم تقارير عن بيانات الجينوم مع التركيز على الشفافية والتتبع و "الملاءمة للغرض" للتطبيق المقصود. تم الاعتراف بالحاجة إلى مسار عالمي في إنشاء إطار تنظيمي للمعلومات الحيوية لتطوير عمليات شفافة وموثوقة وقابلة للتكرار وقابلة للتدقيق في إدارة مخاطر سلامة المنتجات الغذائية والطبية. كما تم الاعتراف بأن التدريب آلية مهمة في تحقيق نتائج متسقة دوليًا. قدمت GSRS2014 مكانًا فعالًا للمنظمين والباحثين للالتقاء ومناقشة القضايا المشتركة وتطوير التعاون لمواجهة التحديات التي يطرحها تطبيق علم الجينوم على العلوم التنظيمية ، مع الهدف النهائي المتمثل في الدمج الحكيم للابتكارات التقنية الجديدة في صنع القرار التنظيمي.

الكلمات الدالة: علم الجينوم الجيل القادم علم تنظيم التسلسل.


يكشف الاكتشاف المنهجي واضطراب الجينات التنظيمية في الخلايا التائية البشرية عن بنية الشبكات المناعية

تضمن شبكات تنظيم الجينات المعقدة التعبير عن الجينات المهمة بمستويات دقيقة. عندما يكون التعبير الجيني مضطربًا بدرجة كافية يمكن أن يؤدي إلى المرض. لفهم كيف تتسرب اضطرابات التعبير الجيني عبر الشبكة ، يجب علينا أولاً تعيين الروابط بين الجينات التنظيمية وأهدافها النهائية. ومع ذلك ، فإننا نفتقر إلى المعرفة الشاملة بالمنظمين الأوليين لمعظم الجينات. هنا قمنا بتطوير نهج للاكتشاف المنهجي للمنظمات الأولية لعوامل المناعة الحرجة - IL2RA و IL-2 و CTLA4 - في الخلايا التائية البشرية الأولية. بعد ذلك ، قمنا بتعيين شبكة الجينات والمعززات المستهدفة لهؤلاء المنظمين باستخدام اضطرابات CRISPR و RNA-Seq و ATAC-Seq. تشكل هذه الهيئات التنظيمية شبكات مترابطة بشكل كثيف مع حلقات تغذية مرتدة واسعة النطاق. علاوة على ذلك ، فإن هذه الشبكة غنية جدًا بالمتغيرات والجينات المرضية المرتبطة بالمناعة. توفر هذه النتائج نظرة ثاقبة حول كيفية تنظيم جينات الأمراض المرتبطة بالمناعة في الخلايا التائية ومبادئ أوسع حول بنية شبكات تنظيم الجينات البشرية.

نهج منظم لتحديد المنظمين الأوليين للجينات المناعية الرئيسية في الخلايا البشرية الأولية

خرائط اضطراب RNA-Seq و ATAC-Seq الشاملة بعد KO للمنظمين المكتشفين الفرديين

يكشف التحليل عن شبكة تنظيمية شديدة الترابط من المعززات والجينات في الخلايا التائية

هذه الشبكة غنية جدًا بمتغيرات الأمراض المناعية والجينات التي تلقي الضوء على الروابط العابرة للتنظيم بين الجينات المناعية الرئيسية في الصحة والمرض


علم الجينوم التنظيمي

يتطور البحث في مجال تنظيم الجينات بسرعة في البيئة العلمية المتغيرة باستمرار. وقد أتاح التقدم في تقنيات المصفوفات الدقيقة وعلم الجينوم المقارن إجراء دراسات أكثر شمولاً لعلم الجينوم التنظيمي. أتاحت دراسة مواقع الارتباط الجينومي لعوامل النسخ نمذجة أكثر شمولاً للشبكات التنظيمية. بالإضافة إلى ذلك ، أظهرت التسلسلات الجينية الكاملة والمقارنة بين العديد من الأنواع ذات الصلة الحفاظ على تسلسل الحمض النووي غير المشفر ، والذي غالبًا ما يقدم دليلًا على رابطة الدول المستقلة- مواقع الربط التنظيمي. تعتبر الطرق المنهجية لفك تشفير الآلية التنظيمية ضرورية أيضًا لتأكيد هذه الشبكات التنظيمية الرئيسية لهذه الطرق هي خوارزميات اكتشاف الحافز التي يمكن أن تساعد في التنبؤ رابطة الدول المستقلة- العناصر التنظيمية. أصبحت برامج اكتشاف عزر الحمض النووي أكثر تعقيدًا وبدأت في الاستفادة من الأدلة من الجينوميات المقارنة. تمت مناقشة هذه الموضوعات وغيرها في ورشة عمل RECOMB السنوية الثالثة حول علم الجينوم التنظيمي ، والتي جمعت أكثر من 90 مشاركًا وتضمنت حوالي 22 محادثة ممتازة من كبار الباحثين في هذا المجال. يحتوي مجلد الإجراءات هذا على عشر مخطوطات أصلية مختارة تم تقديمها خلال ورشة العمل.

  • TScan: خطوتين من جديد طريقة اكتشاف الحافز (يا أبول وآخرون)
  • القضاء على التكرار في خوارزميات اكتشاف Motif (H Leung & amp F Chin)
  • GAMOT: خوارزمية جينية فعالة لإيجاد الزخارف الصعبة في تسلسل الحمض النووي (إن كاراوغلو وآخرون)
  • تحديد المواقع التنظيمية المتباعدة عبر نمذجة النموذج الفرعي (E Wijaya & amp R Kanagasabai)
  • تنقية مكتشفو الدوافع مع ه-حسابات القيمة (إن ناجاراجان وآخرون)
  • محاذاة تسلسل الفهرسة المتعددة لتعريف ميزة المجموعة (W-Y Chou et al.)
  • تحسين دقة بناء مسار تحويل الإشارة باستخدام المستوى 2 من الجوار (T KF Wong et al.)
  • التحقيق في أدوار مرونة الحمض النووي في التعرف على المروج وتنظيمه (جي دي باشفورد)
  • الشبكات التنظيمية للجينات المتأثرة بـ MorA ، وهو منظم عالمي يحتوي على مجالات GGDEF و EAL في Pseudomonas Aeruginosa (WK Choy et al.)
  • وأوراق أخرى

مسلسلات محدثة & # x26 طبعة بتاريخ 11/06/2008

المحتويات المحدثة ، الصفحات ، تاريخ النشر & # x26 in-hse ed بتاريخ 10/07/2008

أمامي
التنبؤ الحسابي للعناصر التنظيمية من خلال تحليل التسلسل المقارن

مع تسلسل العديد من جينومات الفقاريات الآن بشكل كامل ، فإن أكثر الطرق الواعدة للتنبؤ بعناصر التسلسل الوظيفي تستند إلى مقارنة تسلسلات من أنواع متعددة. نحن نركز على المشاكل التي تنشأ عند استخدام مثل هذه الأدوات على نطاق الجينوم في الفقاريات. تتضمن هذه المشكلات صعوبات في العثور على متواليات محفز متجانسة بشكل موثوق ، وصعوبات في اختيار أفضل أداة ومعلمات لتطبيقها على هذه التسلسلات ، وصعوبات في تقييم أهمية التنبؤات الناتجة. يتم تقديم الحلول لكل من هذه المشاكل ، على الرغم من أنها بعيدة كل البعد عن الاكتمال.

حكاية موضوعين - أهمية MOTIF وحساسية البذور المتباعدة

كان حساب قيمة p لعنصر مشكلة صعبة للغاية. تحاول العديد من الخوارزميات الاستدراكية تقريبها. اتضح أن هذه المشكلة تشبه إلى حد بعيد التصميم الأمثل للبذور المتباعدة في بحث التماثل. ربط الموضوعين ، ولأول مرة نظهر أن الحوسبة p -value هي NP-hard ، ونقدم خوارزمية سريعة بشكل معقول عن طريق البرمجة الديناميكية. سيتم إعطاء نتائج الاختبار.

التحديات الحاسوبية للنمذجة العلوية ومحاكاة المسارات البيولوجية

إذا كان مفهوم المعادلات التفاضلية العادية / الجزئية هو الطريقة الوحيدة لنمذجة المسارات البيولوجية للمحاكاة ، فلن يزداد فهمنا للحياة كنظام من خلال الحساب بشكل كبير وسيكون متحيزًا للغاية. إذا لم تكن لغة نمذجة ووصف المسارات البيولوجية غنية ، فسوف نفقد الكثير من المعرفة والمعلومات القيمة حول الأنظمة البيولوجية التي يتم إنتاجها والإبلاغ عنها. من خلال وضع هذا الفهم كأساس لتطويرنا ، قمنا بتطوير لغة ترميز نظام الخلية بتنسيق XML (http://www.csml.org/) وأداة للنمذجة والمحاكاة Cell Illustrator (http: //www.gene- network.com/). في هذا الحديث ، نقدم أحدث إصدار من CSML 3.0 و Cell Illustrator 3.0 والذي يدعم CSML 3.0 ...

طريقة محسنة لأخذ عينات GIBBS لاكتشاف MOTIF من خلال الوزن التسلسلي

لا يزال اكتشاف الزخارف في تسلسل الحمض النووي يمثل مشكلة أساسية وصعبة في البيولوجيا الجزيئية الحسابية وعلم الجينوم التنظيمي ، على الرغم من اقتراح عدد كبير من الأساليب الحسابية في العقد الماضي. من بين هذه الطرق ، أظهرت إستراتيجية أخذ عينات جيبس ​​واعدة كبيرة ويتم استخدامها بشكل روتيني للعثور على عناصر الحافز التنظيمي في مناطق المروج للجينات المعبر عنها بشكل مشترك. في هذا البحث ، نقدم تحسينًا لطريقة أخذ عينات جيبس ​​عندما يتم إعطاء بيانات التعبير عن الجينات المعنية. تم اقتراح مخطط ترجيح التسلسل من خلال أخذ تباين التعبير الجيني في الاعتبار بشكل صريح في أخذ عينات جيبس. أي أن كل عنصر من عناصر الحافز المفترض يتم تعيينه وزنًا يتناسب مع تغير الطية في مستوى التعبير عن الجين المتجه إلى المصب في ظل حالة تجريبية واحدة ، ويتم تقدير مصفوفة نقاط محددة للموضع (PSSM) من عناصر الحافز المفترضة المرجحة. قد يمثل نموذج PSSM المقدر نموذجًا أكثر دقة لأن عناصر الحافز ذات التغييرات الدراماتيكية في الطيات في التعبير الجيني من المرجح أن تمثل أشكالًا حقيقية. تم تنفيذ طريقة أخذ عينات جيبس ​​الموزونة واختبارها بنجاح على كل من بيانات التسلسل المحاكاة والبيولوجية. توضح نتائجنا التجريبية أن استخدام ترجيح التسلسل له تأثير عميق على أداء خوارزمية أخذ عينات عزر جيبس.

اكتشاف الحركات باستخدام مجال عامل النسخ المعرفة

يعد العثور على مواقع الارتباط لعوامل النسخ من مجموعة من المناطق المحفزة للجينات الخاضعة للتنظيم المشترك مشكلة مهمة في البيولوجيا الجزيئية. تعتبر معظم خوارزميات اكتشاف الحافز أنماطًا متشابهة ممثلة بشكل مفرط مثل مواقع الربط وتجد مصفوفة النتيجة الخاصة بالموضع (PSSM) بأقصى احتمال كعنصر الحل. ومع ذلك ، لا يمكن اكتشاف العديد من الأشكال في البيانات البيولوجية الحقيقية بواسطة هذه الخوارزميات لأنها لا تأخذ في الاعتبار الخصائص البيولوجية لمواقع الربط. نقدم خوارزمية جديدة ، DIMDom ، والتي تستغل نوعين من المعلومات: (أ) النمط المميز لفئات مواقع الربط ، حيث يتم تحديد الفئة بناءً على المعلومات البيولوجية حول مجالات عامل النسخ و (ب) الاحتمالات اللاحقة لهذه الفئات. قارنا أداء DIMDom مع MEME على جميع عوامل النسخ من ذبابة الفاكهة في قاعدة بيانات TRANSFAC ووجدنا أن DIMDom تفوق على MEME بأكثر من ضعف عدد النجاحات ومضاعفة الدقة في العثور على مواقع الربط والزخارف.

تطبيقات ILP في البيولوجيا الحاسوبية

في المحاضرة ، سأعرض العديد من المشاكل في علم الأحياء الحسابي المتعلقة على وجه الخصوص بتوليفات النشوء والتطور وتحليل الشبكة التي يمكن التعامل معها بنجاح باستخدام البرمجة الخطية الصحيحة.

بشأن تطور شبكات تنظيم النقل

نحن نطور طرقًا تستخدم التسلسل والتعبير والبيانات الأخرى من أنواع متعددة ، من أجل تحديد تفاعلات عامل النسخ والحمض النووي وتتبع تطورها. سأناقش العديد من جهودنا في هذا الاتجاه:

• دراسة عن ديناميكيات التغييرات الدقيقة في التسلسل التنظيمي ، باستخدام جينومات أربعة أنواع من الخميرة وثيقة الصلة.

• تحليل الاستقرار والتغيير في وحدات النسخ في 17 نوعًا من الخميرة ، باستخدام بيانات التعبير والتسلسل.

• نموذج تطوري متكامل على مستوى الجينوم للشفرة التنظيمية.

إن الصورة الناشئة للتطور في شبكات تنظيم النسخ رائعة للغاية. إذا سمح الوقت ، سأناقش أيضًا أداة البرامج الجديدة الخاصة بنا للعثور على عزر de novo على نطاق واسع.

علم صيدلة النظم في علاج السرطان: واجهة معلوماتية تجريبية

تسعى بيولوجيا الأنظمة ، كتخصص ، إلى شرح الظاهرة البيولوجية من خلال التفاعلات الصافية لجميع المكونات الخلوية والكيميائية الحيوية داخل الخلية أو الكائن الحي. نقدم العمل الذي يستخدم نهج النظم لبناء إطار عمل لعلم الصيدلة التنبؤية. استخدمنا كنظام نموذجي ، استجابة نسخ p53 في المختبر وفي الأورام البشرية. أولاً ، قمنا بتحليل ملفات تعريف النسخ في 251 من سرطانات الثدي الأولية التي تم فيها تسلسل الجين p53 وتحديد توقيع تعبير مكون من 32 جينًا سريريًا يميز أورام p53 المتحولة والبرية من أنسجة مختلفة تتفوق على تسلسل p53. وبالتالي ، فإن بصمة النسخ هي مؤشر نهائي أكثر دقة لوظيفة p53. ثانيًا ، حددنا دورًا فريدًا لتخليق الجليكوجين كيناز 3 بيتا (GSK-3beta) في تنظيم وظيفة p53 في خلايا سرطان القولون والمستقيم البشرية. أدى التعديل الدوائي لـ GSK-3beta إلى ضعف ملحوظ في المعاملات المعتمدة على p53 للأهداف بما في ذلك p21 و Puma ولكنه شجع التنشيط المطابق المعتمد على p53 لـ Bax مما يؤدي إلى موت الخلايا المبرمج. وبالتالي ، يتم تحويل توقف دورة الخلية بعد استجابة الضرر بوساطة p53 إلى موت الخلايا المبرمج بعد التعرض لمجموعة متنوعة من عوامل العلاج الكيميائي (Tan، et al. Cancer Res.65 (19): 9012-20.، 2005). يعتمد نجاح هذا المركب على تقييم موثوق لحالة البروتين p53 في الأورام الأولية. بناءً على هذه الملاحظات ، سعينا إلى تحديد الآليات الدقيقة لتنظيم الجينات p53 من خلال تطوير نهج قوي يجمع بين الترسيب المناعي للكروماتين (ChIP) مع إستراتيجية تسلسل ditag (PET) المزدوجة من أجل توطين عالمي غير متحيز ودقيق لمواقع الربط p53. من خلال أخذ عينات مشبعة لأكثر من نصف مليون تسلسل PET ، قمنا بتمييز 65،572 جزء فريد من p53 ChIP DNA وإنشاء مجموعات PET متداخلة كقراءة لتحديد مواقع ربط p53 بخصوصية ملحوظة. بناءً على هذه المعلومات ، قمنا بتحسين نموذج الربط p53 الإجماعي ، وحددنا ما لا يقل عن 542 موقعًا ملزمًا بثقة عالية ، واكتشفنا 98 جينًا مستهدفًا لم يتم التعرف عليه سابقًا من p53 كان متورطًا في جوانب جديدة لوظائف p53 مثل التصاق الخلية والحركة. أخيرًا ، أظهرنا صلتها السريرية بتكوين الأورام المعتمد على p53 في عينات السرطان الأولية (Wei CL ، وآخرون. الخلية. 124 (1): 207-19 ، 2006). كان إطار الاكتشاف الداعم المتبادل الذي أنشأناه في GIS هو المفتاح لاستغلال الاكتشافات الفردية إلى أقصى حد بطريقة جماعية.

البروتيوميات الهيكلية الحاسوبية واكتشاف المانع

يتطلب التقدم السريع في البروتينات الهيكلية تطوير طرق جديدة للتنبؤ بالتغيرات الهيكلية ، والارتباط ، والوظيفة ، وكذلك تحسين طرق التصميم الجزيئي القائم على الهيكل. ستتم مراجعة التحديات الرئيسية لعلم الأحياء البنيوية الحاسوبية والكيمياء. لقد طورنا طرقًا للتنبؤ بالخريطة الوظيفية لبروتين بهيكل ثلاثي الأبعاد معروف ، ورسو دقيق للمركبات إلى موقع ربط وفحص ليجند افتراضي لقواعد البيانات الكيميائية الكبيرة ، والتنبؤ بالهيكل عن طريق تحسين الطاقة العالمية ، على سبيل المثال توصيف المسوخ والنيوكليوتيدات SNPs ، ونمذجة التماثل ، والبروتين البروتيني أو الببتيد ، والتنبؤ الدقيق بالحلقة ...

توصيف الاستجابات الشفوية للضغط البيئي عن طريق تحليل الموقع التفاضلي

تحتاج الكائنات أحادية الخلية مثل الخميرة إلى الاستجابة السريعة لتغيرات الظروف البيئية من أجل بقائها على قيد الحياة. باستخدام تحليل الموقع عالي الإنتاجية (الترسيب المناعي للكروماتين على شريحة الحمض النووي ، أو ChIP-Chip باختصار) ، Harbison et al. حددوا مواقع الارتباط الجينومي لـ 204 عوامل نسخ (TFs) من الخميرة Saccharomyces cerevisiae في حالة الوسائط الغنية و 13 حالة إجهاد. هنا ، نقوم بالإبلاغ عن طريقة إحصائية لتحليل الموقع التفاضلي ، لتحديد مجموعة المنظمين الذين يرتبطون بمناطق جينومية مختلفة بشكل كبير في ظل ظروف ضغط معينة. من بيانات ChIP-Chip المنشورة بواسطة Harbison et al. ، تمكنا من تحديد 105 أزواج من حالات TFs والتي أظهرت أنماط ربط تفاضلية ذات دلالة إحصائية (p & lt 0.05). كشفت المقارنة مع بيانات Microarray المنشورة أن مستويات التعبير لما يقرب من نصف TFs المختبرة لم تتغير بشكل كبير تحت الضغط البيئي المقابل ، مما يعني أن مثل هذه الاستجابات التنظيمية لن يتم الكشف عنها فقط من خلال بيانات Microarray. في الختام ، هناك حاجة إلى تحليلات تفاضلية تكميلية (مثل تحليل الموقع التفاضلي) ، بالإضافة إلى تحليل التعبير التفاضلي القائم على ميكروأري شائع الاستخدام ، من أجل فهم الصورة العالمية للاستجابات الخلوية للضغوط البيئية.

خوارزمية هجينة قائمة على المعرفة للتنبؤ بالبروتين الثانوي

في نهجنا السابق ، اقترحنا طريقة هجينة تسمى HYPROSP II للتنبؤ بالهيكل الثانوي للبروتين ، والتي جمعت بين خوارزمية التنبؤ القائمة على المعرفة المقترحة PROSP ونهج الشبكة العصبية PSIPRED. في هذا الحديث ، نقوم بتحسين أداء PROSP من خلال اقتراح إستراتيجية تصويت أفضل ومعدل تغطية أوسع باستخدام كل من 7 سنوات و 5 سنوات ...

الرتابة والمفاجأة (الأساليب المحافظة على نمط الاكتشاف)

غالبًا ما يتمزق اكتشاف الأنماط بين صلابة النموذج ووفرة العناصر المرشحة ، وهو ظرف يميل إلى توليد أعباء حسابية شاقة ، ويؤدي إلى إنتاجية يستحيل تصورها واستيعابها ...

تطور النظم التنظيمية البكتيرية

يسمح التحليل المقارن للجينومات البكتيرية ليس فقط بتحديد الأنظمة التنظيمية الجديدة والتعليق التوضيحي الوظيفي للجينات الافتراضية ، ولكن أيضًا لتوصيف التغييرات في الأنماط التنظيمية. على الرغم من أنه من السابق لأوانه الحديث عن نظرية التطور التنظيمي ، إلا أن بعض الأنماط تبدأ في الظهور. سأقدم نتائج التحليل الجينومي لعدة أنظمة متفاوتة التعقيد. على وجه الخصوص ، سأوضح كيف أدى التحليل الحسابي لـ NrdR ، وهو منظم عالمي لخفض النوكليوتيدات ، إلى وصف مفصل للإشارة التنظيمية وآلية التنظيم ، وأقام روابط بين هذا التنظيم والتكرار. سأقدم أمثلة على توسع Regulon والانكماش والاندماج والاختفاء في المسارات الأيضية لسكاريد قليل السكاريد واستخدام السكر. أخيرًا ، سأحاول إعادة بناء التاريخ التطوري لتنظيم نظام توازن الحديد في البكتيريا البروتينية ألفا.

TSCAN: خطوتين من جديد طريقة اكتشاف MOTIF

يعد الاكتشاف الحسابي للزخارف الجديدة في التسلسل البيولوجي مشكلة مهمة ومدروسة جيدًا. مفتاح طرق اكتشاف الحافز أيضًا من جديد أو مكتبة ، لديها وظائف تسجيل محددة جيدًا. تم اقتراح العديد من وظائف التسجيل ذات القيمة العددية المختلفة التي تقيس بعض خصائص الأشكال البيولوجية. ومع ذلك ، لا توجد وظيفة تسجيل عامة قادرة على توحيد جميع الخصائص معًا. في هذا العمل ، نقترح خطوتين من جديد نموذج اكتشاف الحافز الذي يستخدم وظيفتين لتسجيل النتائج بقياس الخصائص المختلفة للأهمية البيولوجية. نحدد طريقة قائمة على حساب الكلمات تسمى TScanباستخدام هذا النموذج. مستوحى بشكل رئيسي من MDScan، ولكنها لا تتطلب بيانات رقاقة تكميلية.تعد نتائجنا على سبع مجموعات بيانات من دراسة حديثة واعدة ، حيث تتفق الزخارف المكتشفة جيدًا مع الزخارف الإجماعية المحددة لمجموعات البيانات.

القضاء على استرداد النقود في خوارزميات اكتشاف MOTIF

تعتبر مشكلة العثور على الأشكال في مواقع الربط مهمة جدًا لفهم شبكات تنظيم الجينات. ومع ذلك ، عند التنبؤ بمجموعة من الزخارف ، تعاني الخوارزميات الحالية من مشكلة إما التنبؤ بالعديد من الأشكال الزائدة عن الحاجة (الزخارف ذات مواقع الربط المماثلة) أو ، على الطرف الآخر ، فقدان الفكرة المخفية. في هذا البحث ، نقوم بصياغة مشكلة التكرار في الحافز (MRP) لنمذجة هذا النوع من المشكلات وتقديم خوارزمية تسمى RME (إزالة الحافز التكرار) لحل MRP. تظهر النتائج التجريبية على البيانات البيولوجية الحقيقية أن خوارزمية اكتشاف الحافز المعيارية المستندة إلى EM المعززة باستخدام RME لديها أداء أفضل من خوارزمية اكتشاف الحافز الشائعة MEME.

GAMOT: خوارزمية وراثية فعالة لإيجاد الحركات الصعبة في تسلسل الحمض النووي

تعتبر الإشارات الضعيفة التي تحدد مواقع ارتباط عامل النسخ المتضمنة في تنظيم الجينات عناصر صعبة. يعد تحديد هذه الأشكال في تسلسل الحمض النووي غير المحاذي مشكلة حسابية صعبة تتطلب خوارزميات فعالة. تعد الخوارزميات الجينية (GA) ، المستوحاة من التطور في الطبيعة ، فئة من خوارزميات البحث العشوائية التي تم تطبيقها بنجاح على العديد من المشكلات الحسابية الصعبة ، بما في ذلك التنبؤ التنظيمي بالموقع. في هذه الورقة ، نقترح GAMOT ، GA فعال لحل المشكلات المزروعة (l ، d) - المشكلة كما قدمها Pevzner و Sze. نظهر بشكل تجريبي أن خوارزمية لدينا ليست قادرة فقط على حل حالات المشكلة الصعبة بزخارف قصيرة مثل (14،4) و (15،4) بكفاءة ولكن أيضًا أنها قادرة على حل المشكلات ذات الأشكال الأطول مثل (20 ، 7) و (30،11) و (40،15). يمكن لـ GAMOT العثور على الزخارف المزروعة في وقت حسابي شبه خطي بفضل خطوة إضافية تخلق مجموعة مناسبة للغاية من الحلول حتى قبل تطبيق العملية التطورية. نقدم مقارنة لنتائجنا مع بعض الخوارزميات الحديثة مثل VAS و PROJECTION.

تحديد المواقع التنظيمية المتباعدة عبر نمذجة الصور الفرعية

نقترح في هذا البحث نهجًا جديدًا لتحديد الأشكال العامة بطريقة متكاملة من خلال تقديم فكرة النماذج الفرعية. نقوم بصياغة مشكلة إيجاد الحافز باعتباره تعدين نمط فرعي مقيد ونقدم خوارزمية تسمى SPACE لتحديد الأشكال التي قد تحتوي على فواصل. عندما تكون الفواصل موجودة ، نظهر أن الخوارزمية يمكنها تحديد الأشكال حيث 1) قد تكون الفواصل ذات أطوال متفاوتة ، 2) قد يكون عدد مقاطع التصميم غير معروف ، و 3) قد تكون أطوال مقاطع التصميم غير معروفة. نجري تجارب صارمة مع معايير تقييم الحافز بواسطة Tompa et al. ، ونلاحظ أن خوارزمياتنا بشكل عام قادرة على التفوق على جميع الخوارزميات الشائعة التي تم اختبارها حتى الآن ، مع تحسينات كبيرة في الحساسية والنوعية.

تنقية مكتشفات الصور باستخدام حسابات القيمة الإلكترونية

مكتشفات الحافز هي أداة مهمة للبحث عن العناصر التنظيمية في الحمض النووي. تعمل البرامج الحالية الشائعة على تحسين درجة الانتروبيا للبحث بكفاءة عن الزخارف. بينما تُستخدم القيم E بشكل شائع لتعيين أهمية للأشكال المثلى التي تم الإبلاغ عنها ، لم يتم تحسينها بشكل مباشر. يثير هذا تساؤلاً حول ما إذا كان تحسين القيم الإلكترونية بدلاً من الانتروبيا يمكن أن يحسن قدرة المكتشفين على اكتشاف العناصر الضعيفة. نقدم أولاً خوارزمية فعالة لحساب قيم E المتعددة بدقة والتي تغير طبيعة السؤال أعلاه من افتراضي إلى عملي. بدمج هذه الطريقة في المكتشفات المستندة إلى التوافق و Gibbs ، نظهر بعد ذلك على البيانات التركيبية أن الإجابة على سؤالنا إيجابية. على وجه الخصوص ، تُظهر التحسينات المستندة إلى القيمة E تحسينًا كبيرًا على الأدوات الحالية للعثور على أشكال ذات عرض غير معروف.

محاذاة تسلسل الفهرسة المتعددة لتحديد ميزة المجموعة

تم اقتراح مخطط جديد للأنماط التوافقية وتحديد ميزات المجموعة الحصرية باستخدام محاذاة تسلسل الفهرسة المتعددة (MISA) استنادًا إلى خوارزميات البحث الفاصل الزمني وتقنيات التجميع الهرمي في هذه الورقة. تقوم خوارزمية البحث عن تقفز الفترات بتحويل التسلسلات إلى مجموعات أرقام رقمية من أجل العثور على نماذج إجماع وتوفر نتائج مطابقة تقريبية. يتم تمييز الأشكال الإجماعية التي تم البحث عنها ذات الخصائص المتسامحة وصياغة مصفوفة تسجيل من أجل تجميع التسلسلات المستوردة في عدة مجموعات فرعية قبل محاذاة تسلسل الفهرسة المتعددة المقترحة. لاستخراج السمات المميزة بين المجموعات العنقودية ، يقوم النظام المقترح بأداء مجموعات مختلفة من العمليات الأساسية على مستوى البت للحصول على خصائصها المميزة. في هذه الورقة ، تم استخدام MISA لتحليل البيانات البيولوجية الحقيقية وأثبت أنها عملية للبحث عن الأنماط التجميعية لكل مجموعة فرعية ، كما تم تحديد سماتها المميزة من المجموعات الفرعية الأخرى لمزيد من التحليل. تم عرض مقارنات مع الخوارزميات الأخرى الموجودة في هذه الورقة أيضًا لإثبات الأداء المتفوق للنظام المقترح.

تحسين دقة بناء مسار نقل الإشارات باستخدام جيران المستوى 2

في هذه الورقة ، نأخذ في الاعتبار مشكلة إعادة بناء مسار لمجموعة معينة من البروتينات بناءً على معلومات الجينوميات والبروتيوميات المتاحة مثل بيانات التعبير الجيني. في جميع الأساليب السابقة ، عادةً ما تعتمد وظيفة التسجيل للمسار المرشح فقط على البروتينات المجاورة في المسار. نقترح أيضًا النظر في البروتينات التي تقع على مسافة اثنين في المسار (نسميها جيران المستوى 2). نشتق وظيفة تسجيل تستند إلى كل من البروتينات المجاورة والجيران من المستوى 2 في المسار ونبين أن وظيفة التسجيل لدينا يمكن أن تزيد من دقة المسارات المتوقعة من خلال مجموعة من التجارب. مشكلة حساب المسار مع الدرجة المثلى ، بشكل عام ، صعبة NP. وبالتالي نقوم بتوسيع خوارزمية عشوائية لجعلها تعمل على وظيفة التسجيل لدينا لحساب المسار الأمثل باحتمالية عالية.

التحقيق في أدوار مرونة الحمض النووي في التعرف على المروج وتنظيمه

نحاول تحديد ميزة "القراءة غير المباشرة" جزئيًا للتعرف على المحفز والتي قد تعزز أو تمنع ارتباط بوليميريز الحمض النووي الريبي. باستخدام التطورات الحديثة في فهم مرونة B-DNA ، نقوم بتطوير واختبار نموذج لعبة لثني الحمض النووي. يستخدم النموذج لتقدير التكلفة النشطة لنوع معين من الانحناء ، ومحاكاة حدث ربط بروتين الحمض النووي ، في كل موقع ضمن تسلسل DNA المحتوي على المروج. تتم مقارنة مرونة المحفزات القوية غير المنظمة من الخلايا القولية المحللة مع تلك الموجودة في المحفزات الأضعف وغير المنظمة الإشريكية القولونية التسلسلات. نجد 1) في كلتا الحالتين ، غالبًا ما يكون الموقع المفضل لإدخال منحنى بحجم RNAP داخل منطقة المروج الأساسية ، على الرغم من أن عددًا أكبر بكثير من متواليات الملتهمة تحتوي على هذه الميزة 2) المروجين المنظم بواسطة Crp (عامل نسخ انحناء الحمض النووي) تفتقر إلى هذه الميزة ، كونها الأكثر مرونة من 50 إلى 80 موقعًا قبل البدء. قد تشير هذه الملاحظات إلى 1) تعزز المرونة الأساسية في المروجين غير المنظم نشاط النسخ و 2) الأدوار المختلفة للمرونة في التسلسل المنظم Crp مقابل التسلسلات غير المنظمة في التنشيط.

الشبكات التنظيمية للجينات المتأثرة بـ MORA ، وهو منظم عالمي يحتوي على GGDEF ونطاقات EAL في PSEUDOMONAS AERUGINOSA

الزائفة الزنجارية هو أحد مسببات الأمراض البكتيرية الانتهازية المعروفة ، والذي يتسبب في ارتفاع معدل الوفيات في المرضى الذين يعانون من ضعف المناعة. وهو السبب الرئيسي لزيادة معدلات الاعتلال والوفيات لدى مرضى التليف الكيسي (ستوفر) وآخرون.، 2000) وفي المرضى المصابين بعدوى مرتبطة بالإيدز (كوين ، 1998). يعاني مرضى التليف الكيسي عادة من التهابات في الجهاز التنفسي P. الزنجارية، والتي يمكن أن تؤدي إلى التهابات مستمرة في الرئتين. يستسلم هؤلاء المرضى في النهاية لتلف الرئة الناجم عن العدوى المستمرة ، مما يؤدي إلى فشل رئوي والوفاة (Stover وآخرون.، 2000). تقارير P. الزنجارية تنتشر العدوى من المستشفى. أظهر مسح في المملكة المتحدة أن الكائن الأكثر شيوعًا المعزول من بلغم مرضى التليف الكيسي هو P. الزنجارية (بيت وآخرون.، 2003). في دراسة إيطالية ، P. الزنجارية شكلت العزلة 14٪ من 25266 عزلة متتالية من البكتيريا الهوائية و 21٪ من عزلات البكتيريا سالبة الجرام المهمة سريريًا من المرضى (Bonfiglio وآخرون.، 1998). ظهر سببان رئيسيان لاستمرار P. الزنجارية في حالات العدوى بالمستشفيات وفي مرضى التليف الكيسي مما يؤدي إلى حالات مزمنة (1) إنشاء أغشية حيوية (مجتمعات بكتيرية ملتصقة بالسطح) في رئتي مرضى التليف الكيسي و (2) ظهور سلالات مقاومة للأدوية المتعددة (MDR) من P. الزنجارية. يمكن أن تسبب الأغشية الحيوية البكتيرية مشاكل بيئية خطيرة وقد تصبح الخلايا أكثر مقاومة للعوامل المضادة للميكروبات بمائة إلى 1000 ضعف. لهذه الأسباب ، هناك قدر كبير من الاهتمام في جميع أنحاء العالم بتطوير المضادات الحيوية المضادة للخلايا التي ستكون فعالة بشكل خاص في مكافحة تكون الأغشية الحيوية. منظم جديد ، مورا، تم تحديده سابقًا للتأثير على تكوين الأغشية الحيوية في P. الزنجارية (تشوي وآخرون.، 2004). تم إجراء دراسات التعبير الجيني لاحقًا على النوع البري (WT) و مورا متحولة P. الزنجارية. من نتائج دراسات التعبير ، تم اختيار العديد من الجينات التي أظهرت اختلافًا كبيرًا بين WT والطفرة لمزيد من التحليل. أدى ذلك إلى تطوير الشبكات التي تربط الجينات على أساس أوجه التشابه في المروج أو المناطق التنظيمية. كانت الجينات التي كانت مرتبطة بشكل كبير في الشبكة ذات أهمية كبيرة وقد تساعد الدراسات الإضافية حول هذه الجينات في إلقاء الضوء على العلاقة بين P. الزنجارية الحركية وفراعتها.


مراجع

Acuna-Hidalgo R، Veltman JA، Hoischen A. رؤى جديدة حول توليد ودور طفرات دي نوفو في الصحة والمرض. جينوم بيول. 201617: 241.

Collins RL و Brand H و Redin CE و Hanscom C و Antolik C و Stone MR وآخرون. تحديد طيف التباين البنيوي المعقد الكبير وتفتيت الصبغيات الشديد في السلالة الجرثومية البشرية المهووسة. جينوم بيول. 10.1186 / s13059-017-1158-6

شاهين آر ، زيمانسكا ك ، باسو ب ، باتيل إن ، إويدا إن ، فقيه إي وآخرون. توصيف الجينوم المهووس للاعتلال الهدبي. جينوم بيول. 201617: 242.

Eggers S و Sadedin S و van den Bergen JA و Robevska G و Ohnesorg T و Hewitt J et al. اضطرابات النمو الجنسي: رؤى من التسلسل الجيني المستهدف لمجموعة كبيرة من المرضى الدوليين. جينوم بيول. 201617: 243.

شمس الدين سعادة ، ماسوهو الأول ، ألينيزي أ ، اليماني س ، باتيل دي إن ، إبراهيم ن ، وآخرون. تسبب طفرة GNB5 اضطرابًا عصبيًا نفسيًا جديدًا يتميز باضطراب نقص الانتباه وفرط النشاط ، وضعف شديد في تطور اللغة والإدراك الطبيعي. جينوم بيول. 201617: 195.

م أبو الهدى ، ت فقيه ، م القليوبي ، خريص الكريا. إعادة النظر في الجينوم المهووس لاضطرابات مندل. جينوم بيول. 201617: 235.

يانسن آي إي ، يي إتش ، هيتفيلد إس ، ليتشلر إم ، ميشيلز إتش ، سينسترا ري وآخرون. الاكتشاف وتحديد الأولويات الوظيفية للجينات المرشحة لمرض باركنسون من تسلسل الإكسوم الكامل على نطاق واسع. جينوم بيول. 10.1186 / s13059-017-1147-9

كاتسانيس ن. سلسلة العلاقة السببية في الاضطرابات الوراثية البشرية. جينوم بيول. 201617: 233.

Delahaye-Duriez A و Srivastava P و Shkura K و Langley SR و Laaniste L و Moreno-Moral A et al. تتلاقى أنواع الصرع النادرة والشائعة في شبكة تنظيمية جينية مشتركة توفر فرصًا لاكتشاف أدوية جديدة مضادة للصرع. جينوم بيول. 201617: 245.

Yu B و de Vries PS و Metcalf GA و Wang Z و Feofanova EV و Liu X وآخرون. تحليل تسلسل الجينوم الكامل لمستويات الأحماض الأمينية في الدم. جينوم بيول. 201617: 237.

Quintana-Murci L. فهم الأمراض النادرة والشائعة في سياق التطور البشري. جينوم بيول. 201617: 225.

Sams AJ و Dumaine A و Nédélec Y و Yotova V و Alfieri C و Tanner JE وآخرون. يؤثر النمط الفرداني النياندرتالي الذي تم إدخاله بشكل متكيف في موضع OAS وظيفيًا على الاستجابات المناعية الفطرية لدى البشر. جينوم بيول. 201617: 246.

Hannon E و Dempster E و Viana J و Burrage J و Smith AR و Macdonald R et al. تحليل وراثي جيني متكامل لمرض انفصام الشخصية: دليل على التوطين المشترك للجمعيات الجينية ومثيل الحمض النووي التفاضلي. جينوم بيول. 201617: 176.

Meddens CA ، Harakalova M ، van den Dungen NAM ، Asl HF ، Hijma HJ ، Cuppen EPJG ، وآخرون. يربط التحليل المنهجي لتفاعلات الكروماتين في المواقع المرتبطة بالأمراض الجينات المرشحة الجديدة بمرض الأمعاء الالتهابي. جينوم بيول. 201617: 247.

Ligthart S و Marzi C و Aslibekyan S و Mendelson MM و Conneely KN و Tanaka T et al. ترتبط بصمات مثيلة الحمض النووي للالتهاب المزمن منخفض الدرجة بأمراض معقدة. جينوم بيول. 201617: 255.

Joehanes R و Zhang X و Huan T و Yao C و Ying S-X و Nguyen QT et al. يساعد التحليل الشامل على مستوى الجينوم للتعبير عن مواضع السمات الكمية في تفسير دراسات الارتباط الجينومي. جينوم بيول. 10.1186 / s13059-016-1142-6

ماكجفرن أ ، شوينفيلدر إس ، مارتن بي ، ماسي ج ، دافوس ك ، بلانت د ، إت آل. يحدد Capture Hi-C الجين السببي الجديد ، IL20RA ، في منطقة القابلية الوراثية للمناعة الذاتية الشاملة 6q23. جينوم بيول. 201617: 212.

نازين S ، بالمر NP ، برجر ب ، كوهين IS. يكشف التحليل التكاملي لمجموعات البيانات الجينية عن وجود مكون مناعي فطري مشترك في اضطراب طيف التوحد والأمراض المصاحبة له. جينوم بيول. 201617: 228.

Liang S وآخرون. iRegNet3D: شبكة تنظيمية متكاملة ثلاثية الأبعاد للتحليل الجيني للطفرات المرضية المشفرة وغير المشفرة. جينوم بيول. 201718: 10.

Chen L، Jin P، Qin ZS. DIVAN: تحديد دقيق لمتغيرات المخاطر الخاصة بالأمراض غير المشفرة باستخدام ملفات تعريف متعددة omics. جينوم بيول. 201617: 252.

مساهمات المؤلفين

كتب كلا المؤلفين المخطوطة النهائية ووافق عليها.

تضارب المصالح

تعمل MIM في اللجان الاستشارية لشركة Pfizer ، وحصلت NovoNordisk على تكريم من Pfizer و NovoNordisk و Eli Lilly وتلقى تمويلًا بحثيًا من Pfizer و Eli Lilly و NovoNordisk و Sanofi-Aventis و Boehringer Ingelheim و Astra Zeneca و Janssen و Takeda و Roche و Merck و Abbvie و Servier كجزء من مبادرات بحثية سابقة للمنافسة تدعمها مبادرة الأدوية المبتكرة وشراكة الأدوية المعجلة. DGM هو مؤسس له أسهم في Goldfinch Biopharma ، وقد تلقى تمويلًا بحثيًا من Biogen و Merck و Pfizer و Eisai.


مناقشة

في هذا العمل ، نوضح فائدة أنظمة مراسل علامة DNA للإنتاجية العالية ، والقياسات الكمية الإيجابية رابطة الدول المستقلة- النشاط التنظيمي: أولاً ، من خلال تحديد de novo لـ 81 CRM نشطًا لـ 34 جينًا وثانيًا ، عن طريق القياس المتزامن عالي الدقة للمخرجات الزمنية لـ & # x0003e80 CRMs نشطة. لا يوجد سبب واضح يجعل أنظمة وسم الحمض النووي المصممة وفقًا لنفس المبادئ الموضحة هنا لا ينبغي أن تعمل في أنظمة النماذج الأخرى. قد يكون هذا النهج قابلاً للتحويل مباشرة إلى حيوانات أو نباتات أخرى مع تعديلات طفيفة فقط ، مثل تغيير المروج القاعدي إلى محفز داخلي نشط بشكل مختلط.

نقاط القوة والضعف للإنتاجية العالية رابطة الدول المستقلة-التحليل التنظيمي باستخدام متجهات العلامات.

الميزة الرئيسية التي يمنحها هذا التقدم واضحة: فهي توفر زيادة كبيرة في كفاءة ومعدل أهم عملية في الجينوميات الوظيفية التجريبية ، رابطة الدول المستقلة- التحليل التنظيمي. أتاح استخدام نظام علامة الحمض النووي 13 حرفياً زيادة في معدل التحليل بأكثر من 10 أضعاف ، بالإضافة إلى تقديم فرصة للقياسات المقارنة للعديد من CRMs في نفس التجربة. التجارب التي تستخدم نظام 129 لعلامة DNA لا يمكن تصورها عمليًا باستخدام الطرق التقليدية ، لذلك على الرغم من أنه يمكن حساب أن معدل التحليل قد تحسن & # x0003e100 أضعاف ، فإن التحسين الحقيقي هو نوعي: يمكننا الآن النظر في أنواع من التجارب التي كانت خارج الحدود بالكامل من قبل. علاوة على ذلك ، العديد من الجوانب الأخرى رابطة الدول المستقلة- التحليل التنظيمي من الذي اخترناه للتحقيق في هذه الدراسة قابل للتسريع بنفس الأساليب. على سبيل المثال ، يمكن فحص طفرات CRM الخاصة بالموقع & # x02013 مرة واحدة في تجارب فردية لتأثيرها على المخرجات التنظيمية ، ومرة ​​أخرى ، مثل هذه المقارنات التي أجريت في تجارب فردية مع مجموعة مشتركة من عناصر التحكم تقدم تصميمات تجريبية فائقة.

هناك العديد من المحاذير الهامة التي يجب أخذها في الاعتبار. أولا ، هناك جانبان أساسيان من رابطة الدول المستقلة- التحليل التنظيمي الذي لا يتناوله هذا التطور الأولي. لا يوفر معلومات التعبير المكاني ولا يكتشف CRMs ، التي تتمثل وظيفتها في القمع. يمكن تحقيق كلا الهدفين ، من حيث المبدأ ، من خلال إجراءات عالية الإنتاجية أيضًا ، باستخدام مبادئ مماثلة ، ونحن الآن منخرطون في هذه المشاريع فقط. ربما يكون الأمر الأكثر خطورة هو السمات الوظيفية الكامنة في تراكيب التعبير القصير ، والتي تعد بمثابة وحدات العمل المعتادة رابطة الدول المستقلة- التحليل التنظيمي. في الدراسات الحديثة في مختبرنا ، قمنا بمقارنة وظائف التركيبات القصيرة التي تحتوي على معطى بشكل مباشر رابطة الدول المستقلة- وحدات تنظيمية مع نشاط نفس الوحدات في سياق النظام التنظيمي الكامل للوحدات المتعددة ، باستخدام نواقل التعبير BAC المعاد تجميعها (33 ، 35). من الملاحظات غير المألوفة في مثل هذه المقارنات ، في السياق ، أن آليات اختيار الوحدة تتوسط الاستخدام الحصري لوحدة واحدة في وقت معين واستبعاد الوحدات الأخرى. ومع ذلك ، في التركيبات القصيرة ، حيث لا يوجد خيار ، سيستخدم المروج الأساسي كل ما يتم توفيره به ، وبالتالي فإن نطاق النشاط الملحوظ للتركيبات القصيرة يتجاوز نطاق نفس الوحدة في السياق. هذا بالتأكيد ليس صحيحًا دائمًا ، وأحيانًا يكون الفرق بين التعبير عن BAC الذي تم حذف وحدة منه والتعبير عن عنصر التحكم BAC يساوي بالضبط التنبؤ ، بناءً على سلوك بنية قصيرة مدفوعة بتلك الوحدة. ومع ذلك ، نظرًا لأن القراءة الزمنية للتركيبات القصيرة قد تتجاوز وظيفتها العادية ، يجب اعتبار نتائج التحليل في الشكل 4 فقط على أنها تشير إلى الحدود الخارجية الممكنة لتداخل الوحدة بدلاً من قياسها. لن يؤثر هذا على الحالات التي تعمل فيها وحدات جين معين في أوقات مختلفة ، لأن هذا يعني ببساطة أنها تستجيب للمدخلات التنظيمية المقدمة في مراحل نمو مختلفة. وبالمثل ، فإن التركيبات القصيرة التي يتم التعبير عنها في مواقع محددة مختلفة هي مؤشرات موثوقة تمامًا للمدخلات المكانية التي تستجيب لها.

عدة CRMs لكل جين.

الجينات في هذه الدراسة هي في الغالب جينات تنظيمية ، وبالتالي فإن الجزء الكبير منها الذي يحتوي على العديد من CRMs ليس مفاجئًا. ومع ذلك ، فإن السهولة التي تمكنا بها بسرعة من استعادة وحدات متعددة لكل جين تستحق الملاحظة. وكذلك تفعل نتيجة سر التحليل ، والذي ، حتى مع الأخذ في الاعتبار التحذير أعلاه ، يشير إلى أنه ليس من الصعب عادةً استرداد CRMs التي تشمل جميع مراحل نشاط الجين & # x02019s. التكنولوجيا قوية بما فيه الكفاية بحيث أنه حتى في حالة عدم وجود معلومات حفظ متعددة الأنواع ، أو بغض النظر عن ذلك ، يمكن تقسيم منطقة كبيرة بين الجينات إلى 3 & # x020135 كيلو بايت (أو أكبر) قطع أعمى ، ويمكن معايرتها جميعًا في قطعة واحدة تجربة. على الرغم من أننا لم نحاول بشكل منهجي القيام بذلك ، فإن الطريق مفتوح الآن لاستعادة جميع CRM الإيجابي المسبق لأي جين مهم ، من خلال فحص كل مساحة التسلسل الممكنة التي قد يوجد فيها هذا الجين & # x02019s CRMs. بطبيعة الحال ، فإن مشكلة تحديد الجين الموجود بالقرب من CRM يتم تنظيمه من خلاله تتطلب مزيدًا من المعلومات لأننا مهتمون بشكل أساسي بالجينات المعبر عنها على وجه التحديد ، وبيانات التعبير المكاني لـ CRMs المكتشفة حديثًا أمر بالغ الأهمية هنا. سيكون الدليل على الوظائف المحتملة لجميع CRMs التي تشكل نظام التحكم الشامل للجين لا يقدر بثمن عند تنفيذه بالاقتران مع السياق رابطة الدول المستقلة- التحليل التنظيمي لهذا الجين. يوفر هذا الدليل الأساس لوظيفة CRM الفردية المحتملة التي يمكن من خلالها مقارنة تشغيل النظام عندما يكون كاملاً. وبالتالي ، نعتقد أن منهجية اكتشاف CRM عالية الإنتاجية يجب أن تساهم ماديًا في التقدم في مجال غير مستكشَف إلى حد كبير ، ولكنه مهم جدًا من الناحية المفاهيمية ، من البيولوجيا الجزيئية التنظيمية ، والتحكم في استخدام CRMs البديلة.

الآثار المترتبة على الإنتاجية العالية رابطة الدول المستقلة- المنهجية التنظيمية لحل شبكات تنظيم الجينات.

يتم حاليًا حل الشبكات التنظيمية للجينات من خلال أساليب & # x0201ctop down & # x0201d ، حيث تُستخدم بيانات الاضطراب والتعبير على مستوى النظام لإنشاء نموذج الشبكة. بعد هذه الخطوة الحاسمة هي التحقق من صحة الروابط المتوقعة في الشبكة ، من خلال عزل ذات الصلة رابطة الدول المستقلة- وحدات تنظيمية واختبار وظائف المواقع المستهدفة التي تتوسط الاستجابات للمدخلات التنظيمية. الآن ، ومع ذلك ، يمكننا النظر في نهج يعتمد على استخدام الإنتاجية العالية رابطة الدول المستقلة- الأنظمة التنظيمية من البداية ، وفيها يتم تحليل الوحدات النمطية رابطة الدول المستقلة- يتم تقييم الاستجابات التنظيمية لاضطرابات التعبير الجيني في وقت واحد مع تحليل آثار الاضطراب على الجينات الذاتية. سيشير هذا إلى أي رابطة الدول المستقلة- الوحدة التنظيمية ذات صلة بالشبكة المعنية ، وستساعد بشكل كبير في التمييز بين الروابط المباشرة وغير المباشرة حتى أثناء صياغة الشبكة. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن تسهل إجراءات الحصول على البيانات الكمية والرقابة الداخلية التي يتيحها نظام العلامات التحليلات الحسابية والإحصائية اللاحقة. ستكون النتيجة إحداث ثورة في تحليل GRN حيث يمكن تطبيق هذه الأساليب ، وإنتاج مسودات GRNs من البداية الاستخدام رابطة الدول المستقلة عبر التفاعلات لتحديد بنية الشبكة.


RECOMB تنظيم الجينوميات / بيولوجيا النظم / مؤتمر الحلم 2010

للسنة الثالثة ، تضافرت جهود ثلاثة مؤتمرات حول التنظيم الجيني وبيولوجيا الأنظمة وبيولوجيا الشبكة. على مدار خمسة أيام ، من 16 إلى 20 نوفمبر 2010 ، جمع الاجتماع في كنيسة ريفرسايد بالقرب من جامعة كولومبيا مؤتمر RECOMB الساتلي السابع حول علم الجينوم التنظيمي ، برئاسة مانوليس كيليس وزيف بار جوزيف ، مع مؤتمر RECOMB الساتلي السادس حول بيولوجيا الأنظمة ومؤتمر DREAM الخامس برئاسة جوستافو ستولوفيتسكي وأندريا كاليفانو.

بالإضافة إلى المحادثات الرئيسية التي تم تلخيصها في تقرير الاجتماع ، تضمنت المؤتمرات عروضاً شفهية وملصقة لعمل جديد مثير في هذه المجالات الديناميكية. علاوة على ذلك ، سلط مؤتمر DREAM الضوء على نتائج الجولة الأخيرة من "التحديات" لتقييم مهارات المشاركين في التعرف على الشبكات البيولوجية من البيانات المعماة. يمكن الوصول إلى تقارير ومقاطع فيديو أكثر تفصيلاً من المؤتمر باستخدام شريط التنقل أعلاه.

استخدم علامات التبويب أعلاه للعثور على تقرير الاجتماع والوسائط المتعددة من هذا الحدث.

العروض التقديمية متوفرة من:

ماتي أنالا (جامعة تامبيري للتكنولوجيا ، فنلندا)
نيكولا بارباريني (جامعة بافيا ، إيطاليا)
Harmen Bussemaker (جامعة كولومبيا)
ألبرتو دي لا فوينتي (CRS4)
توم جينجراس (مختبر كولد سبرينج هاربور)
V & acircn Anh Huynh-Thu (جامعة Li & egravege ، بلجيكا)
ليونيد كروجلياك (جامعة برينستون)
Robert K & Uumlffner (Ludwig-Maximilians-Universit & aumlt ، ميونيخ ، ألمانيا)
Po-Ru Loh (MIT)
دانيال مارباخ (معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا)
راندال تي مون (HHMI وجامعة واشنطن)
راكيل نوريل (IBM Research)
يارون أورنشتاين (جامعة تل أبيب)
روب باترو (جامعة ماريلاند)
سكوت باورز (مختبر كولد سبرينغ هاربور)
بوبي بريل (أبحاث آي بي إم)
ستيوارت شرايبر (HHMI ، معهد برود لهارفارد ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا)
عيران سيغال (معهد وايزمان للعلوم ، إسرائيل)
مايكل سنايدر (جامعة ستانفورد)
بيتر سورجير (كلية الطب بجامعة هارفارد)
جون ستاماتويانوبولوس (جامعة واشنطن)
Hans-J & uumlrgen Thiesen (جامعة روستوك)
مارك فيدال (كلية الطب بجامعة هارفارد)
Matthieu Vignes (المعهد الوطني للبحوث الزراعية (INRA) ، تولوز ، فرنسا)
ماثيو ويراوخ (جامعة تورنتو)

صورة: شبكة التبعية التطورية للتكيف مع فيروس نقص المناعة البشرية.
تنسب إليه: جوناثان كارلسون وديفيد هيكرمان (أبحاث مايكروسوفت).

قدم بواسطة:

استراتيجيات لتحديد والتحقق من صحة المكونات الجديدة لشبكات نقل الإشارة

راندال تي مون (HHMI ، جامعة واشنطن)
    1. مقدمة عن شبكة Wnt-beta-catenin 2. مسار الإشارة تعزيز وتثبيط الأدوار المعتمدة على السياق لدى البالغين 3. تحديد شبكات الإشارات والتحقق من صحتها 4. الشاشات البروتينية شاشات الجزيئات الصغيرة 5. القيود على الشاشات الداخلية 6. ملخص شكر واستنتاج

Lego النسخي: التحكم المتوقع في التعبير الجيني عن طريق معالجة كتل بناء المروج

عيران سيغال (معهد وايزمان للعلوم)
    1. مقدمة 2. إطار عمل النمذجة 3. قياس التعبير عن تسلسل المحفز 4. قياس عناصر التسلسل المتنوعة بشكل منهجي 5. وجود الحدود وطولها وقوتها 6. تقارب العامل والموقع موقع TF أهمية المسافة 7 الضبط الدقيق لمستويات التعبير 8. أهمية التسلسلات غير المواتية للنيوكليوزوم.

سد الفجوة مع مجسات الجزيئات الصغيرة للسرطان

ستيوارت شرايبر (HHMI ، معهد برود لهارفارد ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا)
    1. مقدمة 2. رسم خرائط للنمط الجيني / حساسية SM 3. استهداف التبعيات المشتركة غير الورمية نمذجة 4. بيولوجيا ROS وحساسية الجزيئات الصغيرة شبكة CTD2 5. نماذج الخط الخلوي للسرطان CCLE ومجموعة مسبار الجزيئات الصغيرة 6. التجميع العالمي لدراسات بيانات المرحلة التجريبية 7. شكر وتقدير وخاتمة

شبكات Interactome والأمراض البشرية

مارك فيدال (دانا - معهد فاربر للسرطان)
    1. مقدمة 2. نهج الشبكة والخصائص العالمية السمات البيولوجية 3. رسم الخرائط المتحكم فيه تجريبيًا فحص اضطرابات الشبكة والتجارب 4. مقارنة الاختلافات الجينية ومسببات الأمراض 5. وجهات النظر التي تركز على الجينات وتركز على الحافة في التطور عائلة Paralogs Actin 6. التطور من الشبكات التفاعلية 7. شكر وتقدير وملخص واستنتاج

نقل الإشارة والآلية الصيدلانية من منظور من أسفل إلى أعلى ومن أعلى إلى أسفل

بيتر سورجير (كلية الطب بجامعة هارفارد)
    1. مقدمة 2. إشارات EGFR ومستقبلات ErbB تجربة ErbB1 3. دوران ErbB2 و ErbB3 Phospho 4. الاختلافات في ديناميكيات الفوسفور 5. تطبيقات النموذج وتقديرات المعدل 6. استنتاج سياق الشبكة للاختلافات في الهياكل 7. نماذج المقارنة والتجميع المنطق الضبابي النمذجة رسم الخرائط الخاصة بالسياق 8. ملخص فرص المنح شكر وتقدير وخاتمة

تحديد العوامل المسببة للأورام والمؤشرات الحيوية التنبؤية في سرطان الكبد

سكوت باورز (مختبر كولد سبرينغ هاربور)
    1. مقدمة خيارات علاج سرطان الخلايا الكبدية 2. الجينات المسرطنة التي يتم تنشيطها في فحص سرطان الكبد الوراثي (cDNA) البشري 3. خوارزميات التنبؤ POFUT1 4. CCND1 و FGF19 5. الفحص الجيني السرطاني في سرطان المبيض 6. شكر وتقدير وخلاصة

الجينوم والتنوع

مايكل سنايدر (جامعة ستانفورد)
    1. مقدمة التسلسل باستخدام تقنيات مختلفة 2. رسم خرائط الاختلافات الهيكلية تباين ربط TF في الخميرة 3. ربط Ste12 وستة عوامل جديدة Trans QTLs Amn1 و Flo8 4. تباين ربط TF بين الأشخاص المتغيرات القابلة للتخطيط 5. الاستنتاجات والإقرار

ما هو الأساس الجيني للتنوع المظهري؟

ليونيد كروجلياك (جامعة برينستون)
    1. مقدمة الطول والوراثة 2. تشريح الأنماط الظاهرية المعقدة وراثيًا من خلال الخميرة 3. حساسية 4NQO تقييم التأثيرات والتفاعلات الاختلافات المعمارية 4. تشريح الصفات المعقدة في التجمعات أنماط أليلية بسيطة 5. ملخص وتوجيهات مستقبلية شكر وتقدير وخاتمة

نسخ حقيقية النواة: معقدة ، متعددة الوظائف ، مجزأة ، وأنيقة

توماس جينجراس (مختبر كولد سبرينج هاربور)
    1. مقدمة 2. تغييرات رمز الجينات في بيانات RNAseq 3. تجزئة خلوية فرعية مشروع نسخ الترميز IDR 4. النصوص غير المشروحة Conclusio

تحديد المحددات الجينية لنشاط TF

Harmen Bussemaker (جامعة كولومبيا)
    1. مقدمة فلسفة النمذجة 2. جوانب وظيفة TF تحديد المحددات الجينية لنشاط عامل TF 3. التحديد من خلال بيانات تفاعل البروتين والبروتين 4. ملخص واستنتاج

التعلم من التنوع

روب باترو (جامعة ماريلاند)

توقع تفاعل الببتيد مع IVIg البشري من خلال نهج قائم على المعرفة

نيكولا بارباريني (جامعة بافيا ، إيطاليا)

A DREAM5 أفضل طريقة أداء لتوقع تقارب ملزمة TF في مصفوفات PBM الدقيقة

ماتي أنالا (جامعة تامبيري للتكنولوجيا ، فنلندا)

تحليل بيانات PBM للعثور على زخارف موقع ملزمة وتوقع شدة ربط TF

يارون أورنشتاين (جامعة تل أبيب)

إعادة بناء شبكة تنظيم الجينات باستخدام شبكات Bayesian و Dantzig Selector و Lasso: A Meta-Analysis

Matthieu Vignes (المعهد الوطني للبحوث الزراعية ، تولوز ، فرنسا)

الحد الأدنى للارتباط والتكرار ومتغيرات الانحدار الأخرى تتنبأ بالنمط الظاهري في DREAM5

Po-Ru Loh (معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا)

استدلال الشبكة التنظيمية مع GENIE3: التطبيق على تحدي DREAM5

فان آنه هوينه ثو (جامعة لييج ، بلجيكا)

استنتاج GRNs بواسطة ANOVA

روبرت كوفنر (Ludwig-Maximilians-Universität ، ميونيخ ، ألمانيا)

Epitope - التعرف على الجسم المضاد (EAR)

Hans-Jürgen Thiesen (جامعة روستوك)

تعلم واختبار نماذج عامل النسخ باستخدام المصفوفات الدقيقة الملزمة للبروتين

مات ويراوخ (جامعة تورنتو)

تحديات علم الوراثة لأنظمة DREAM5

ألبرتو دي لا فوينتي (CRS4)

طرق الاستدلال الشبكي التنميط: تحدي الاستدلال الشبكي DREAM5

دانيال مارباخ (معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا)

نتائج تحدي DREAM5 2

راكيل نوريل (IBM Research)

نتائج تحدي DREAM5 1: Epitope – Antibody Recognition (EAR)

بوبي بريل (أبحاث آي بي إم)

نتائج تحدي DREAM5 3: علم الوراثة للأنظمة A & B.

بوبي بريل (أبحاث آي بي إم)

DREAM5 Challenge 4 النتائج: [الجينات] استدلال الشبكة

بوبي بريل (أبحاث آي بي إم)

المشاريع وقواعد البيانات والأدوات

مجموعة جينات الثدييات
توفر قاعدة البيانات هذه للباحثين وصولاً غير مقيد إلى استنساخ (كدنا) كامل الطول لترميز البروتينات المتحقق من صحتها بالتسلسل لجينات الإنسان والفأر والجرذان.

قاعدة بيانات طفرة الجينات البشرية
تجمع قاعدة البيانات هذه الآفات الجينية المنشورة المسؤولة عن الأمراض الوراثية البشرية.

أطلس جينوم السرطان
أطلس جينوم السرطان هو جهد شامل ومنسق لتسريع فهمنا لجينات السرطان باستخدام تقنيات تحليل الجينوم المبتكرة.

الاتحاد الدولي لجينوم السرطان (ICGC)
تهدف ICGC إلى الحصول على وصف شامل للتغيرات الجينومية والنسخية والجينية في 50 نوعًا مختلفًا من الأورام و / أو الأنواع الفرعية ذات الأهمية السريرية والمجتمعية في جميع أنحاء العالم.

بوابة مسار جينوم السرطان
توفر هذه البوابة تنزيلًا مباشرًا وتصورًا لمجموعات بيانات جينوم السرطان واسعة النطاق ، حاليًا سرطان البروستاتا ، والساركوما ، والورم الأرومي الدبقي متعدد الأشكال. (فيديو تجريبي)

شبكة اكتشاف وتطوير أهداف السرطان (CTD 2)
تهدف الشبكة إلى تطوير مناهج علمية جديدة لتسريع ترجمة الاكتشافات الجينية إلى علاجات جديدة.

تشيم بنك
ChemBank عبارة عن بيئة معلوماتية عامة قائمة على الويب ، بما في ذلك البيانات المستمدة من الجزيئات الصغيرة وشاشات الجزيئات الصغيرة ، والموارد اللازمة لدراسة البيانات.

مشروع الترميز
يهدف مشروع ENCODE إلى تحديد جميع العناصر الوظيفية في تسلسل الجينوم البشري.

مشروع جينكود
مشروع GENCODE هو مشروع فرعي لمشروع توسيع نطاق ENCODE الذي يهدف إلى شرح جميع ميزات الجينات القائمة على الأدلة في الجينوم البشري بأكمله بدقة عالية

modENCODE
سيحاول modENCODE تحديد جميع العناصر الوظيفية القائمة على التسلسل في ملف أنواع معينة انيقة و ذبابة الفاكهة سوداء البطن الجينوم.

اتحاد رسم خرائط علم التخلق التابع للمعاهد الوطنية للصحة
يهدف اتحاد رسم خرائط علم التخلق الوراثي التابع للمعاهد الوطنية للصحة إلى إنتاج مورد عام من البيانات اللاجينومية البشرية لتحفيز علم الأحياء الأساسي والبحوث الموجهة نحو المرض.

باثواي كومونز
Pathway Commons هي أداة للبحث عن معلومات المسار البيولوجي العامة وتصورها.

الوراثة المندلية على الإنترنت في الإنسان (OMIM)
OMIM عبارة عن خلاصة شاملة وموثوقة وفي الوقت المناسب للجينات البشرية والأنماط الظاهرية الجينية.

بفام
Pfam عبارة عن مجموعة كبيرة من عائلات البروتين ، يتم تمثيل كل منها بمحاذاة تسلسل متعددة و نماذج ماركوف المخفية (HMMs)

متصفح UCSC Genome
يحتوي هذا الموقع على التسلسل المرجعي ومسودة العمل لمجموعة كبيرة من الجينومات.

مشروع 1000 جينوم
يهدف مشروع الجينوم الألف إلى تسلسل الجينوم لعدد كبير من الناس ، لتوفير مورد شامل للتنوع الجيني البشري.

كتالوج دراسات الارتباط على مستوى الجينوم
يسرد كتالوج دراسات الارتباط على مستوى الجينوم الدراسات التي تحاول فحص ما لا يقل عن 100000 تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة (SNPs).

مقالات صحفية

ستيفن ألتشولر

Altschuler SJ ، Angenent SB ، Wang Y ، Wu LF. على الظهور التلقائي لقطبية الخلية. طبيعة سجية. 2008454(7206):886-889.

تشارلي بون

كوستانزو م ، باريشنيكوفا أ ، بيلاي J ، وآخرون. المشهد الوراثي للخلية. علم. 2010327(5964):425-431.

Dowell RD ، Ryan O ، Jansen A ، et al. من النمط الجيني إلى النمط الظاهري: مشكلة معقدة. علم. 2010328(5977):469.

هارمن بوسيماكر

براون تا. الجينوم. الطبعة الثانية. أكسفورد: وايلي ليس 2002.

Rockman MV ، Kruglyak L. علم الوراثة للتعبير الجيني العالمي. نات. القس جينيه. 20067(11):862-872.

توم جينجراس

ليونيد كروجلياك

Khan Z ، Bloom JS ، Garcia BA ، Singh M ، Kruglyak L. تقدير كمية البروتين عبر مئات الظروف التجريبية. بروك. ناتل. أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية. 2009106(37):15544-15548.

راندال تي مون

الرائد MB ، Moon RT. تقييم المخاطر "Omic". إشارة العلوم. 20092 (72): eg7.

سكوت باورز

كريس ساندر

Cerami EG ، Gross BE ، Demir E ، et al. Pathway Commons ، مصدر ويب لبيانات المسار البيولوجي. الدقة الأحماض النووية. 201139 (مشكلة في قاعدة البيانات): D685-690.

تايلور بس ، باريتينا J ، سوتشي إن دي ، إت آل. تغييرات رقم النسخ الوظيفية في السرطان. بلوس واحد. 20083 (9): e3179.

ستيوارت شرايبر

شرايبر إس إل ، شامجي أف ، كليمونز با ، إت آل. نحو علاجات السرطان القائمة على المريض. نات. التكنولوجيا الحيوية. 201028(9):904-906.

عيران سيغال

بيتر سورجير

موريس مك ، سايز-رودريغيز جيه ، سورجر بي كي ، لافينبورجر دا. النماذج المنطقية لتحليل شبكات تشوير الخلايا. الكيمياء الحيوية. 201049(15):3216-3224.

مايكل سنايدر

الكسندر RP ، فانغ جي ، Rozowsky J ، Snyder M ، Gerstein MB. شرح مناطق الجينوم غير المشفرة. نات. القس جينيه. 201011(8):559-571.

كاسوسكي إم ، جروبرت إف ، هيفلفينجر سي ، إت آل. التباين في ارتباط عامل النسخ بين البشر. علم. 2010328(5975):232-235.

جون ستاماتويانوبولوس

برنشتاين بي ، ستاماتويانوبولوس جا ، كوستيلو جيه إف ، وآخرون. اتحاد رسم خرائط الوراثة اللاجينية لخريطة طريق المعاهد الوطنية للصحة. نات. التكنولوجيا الحيوية. 201028(10):1045-1048.

مارك فيدال

Goh K و Cusick ME و Valle D وآخرون. شبكة الأمراض البشرية. بروك. ناتل. أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية. 2007104(21):8685-8690.

تحديات الحلم

كانديس وتاو. 2007. محدد Dantzig: التقدير الإحصائي عندما تكون p أكبر بكثير من n. آن. ستات.35:2313-2351.

فريدمان إن ، لينيل إم ، ناشمان أنا ، بيير د. استخدام شبكات بايز لتحليل بيانات التعبير. J. كومبوت. بيول. 20007(3-4):601-620.

مارجولين أأ ، وانج ك ، ليم و ك ، إت آل. الهندسة العكسية للشبكات الخلوية. نات بروتوك. 20061(2):662-671.

Tiengo A ، Barbarini N ، Troiani S ، Rusconi L ، Magni P. إجراء Perl لتحديد البروتين عن طريق البصمة الجماعية الببتيدية. المعلوماتية الحيوية BMC. 200910 ملحق 12: S11.

المنظمون

زيف بار جوزيف ، دكتوراه

زيف بار جوزيف أستاذ مشارك في مركز لين للبيولوجيا الحاسوبية في جامعة كارنيجي ميلون. قبل أن يبدأ هذا المنصب الأكاديمي ، أمضى بار جوزيف 4 سنوات (1999-2003) في كامبريدج ، ماساتشوستس ليحصل على درجة الدكتوراه في علوم الكمبيوتر تحت إشراف ديفيد جيفورد وتومي جاكولا. حصل على درجة الماجستير والعمل الجامعي في الجامعة العبرية ، وحصل على درجة البكالوريوس في علوم الكمبيوتر والرياضيات ثم ماجستير في علوم الكمبيوتر.

يدور عمله في جامعة كارنيجي ميلون في علم الأحياء الحاسوبي والمعلوماتية الحيوية والتعلم الآلي. يقود بار جوزيف أيضًا مجموعة بيولوجيا الأنظمة حيث يطور الباحثون طرقًا حسابية لفهم التفاعلات والديناميكيات والحفاظ على الأنظمة البيولوجية المعقدة. ركزت بعض أعماله السابقة على المجالات المثيرة للحوسبة الموزعة ورسومات الكمبيوتر.

أندريا كاليفانو ، دكتوراه

أندريا كاليفانو هو أستاذ المعلوماتية الطبية الحيوية في جامعة كولومبيا ، حيث يقود العديد من الأنشطة عبر الحرم الجامعي في علم الأحياء الحاسوبي والنظام. كاليفانو هو أيضًا المدير المشترك لمركز البيولوجيا الحاسوبية والمعلوماتية الحيوية ، ومدير مركز التحليل متعدد النطاقات للشبكات الجينية ، والمدير المساعد للمعلوماتية الحيوية في مركز إيرفينغ لأبحاث السرطان.

أكمل كاليفانو أطروحة الدكتوراه في الفيزياء في جامعة فلورنسا ودرس سلوك الأنظمة الديناميكية عالية الأبعاد. من عام 1986 إلى عام 1990 ، كان عضوًا في فريق البحث في Exploratory Computer Vision Group في مركز أبحاث IBM Thomas J. Watson ، حيث عمل على العديد من الخوارزميات للتعلم الآلي ، بما في ذلك تفسير المشاهد المرئية ثنائية وثلاثية الأبعاد. في عام 1997 أصبح مديرًا لبرنامج IBM Computational Biology Center ، وفي عام 2000 شارك في تأسيس First Genetic Trust، Inc. لمتابعة أبحاث الجينوميات المتعدية والأنشطة المتعلقة بالبنية التحتية في سياق دراسات المرضى واسعة النطاق باستخدام مكونات وراثية.

مانوليس كيليس ، دكتوراه

مانوليس كيليس أستاذ مشارك في علوم الكمبيوتر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وعضو في مختبر علوم الكمبيوتر والذكاء الاصطناعي والمعهد الواسع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هارفارد ، حيث يدير مجموعة البيولوجيا الحاسوبية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. تم تمويل مجموعته مؤخرًا لقيادة جهود التحليل التكاملي لمشروع modENCODE لـ ذبابة الفاكهة سوداء البطن وأيضًا للتحليل التكاملي لمشروع خارطة طريق المعاهد الوطنية للصحة Epigenome. حصل على جائزة الرئيس الأمريكي للوظيفة المبكرة في العلوم والهندسة (PECASE) لعمله NIH R01 في الجينوم الحاسوبي ، وجائزة NSF CAREER ، وزمالة ألفريد ب. ، وجائزة روث وجويل سبيرا للتدريس في EECS. حصل كيليس على درجة الدكتوراه من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، حيث حصل على جائزة Sprowls لأفضل أطروحة دكتوراه في علوم الكمبيوتر ، وأول زمالة باريس Kanellakis للخريجين. قبل التحاقه بالبيولوجيا الحاسوبية ، عمل على الذكاء الاصطناعي والرسم والتعرف على الصور والروبوتات والهندسة الحاسوبية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومركز أبحاث زيروكس بالو ألتو.

جوستافو ستولوفيتسكي ، دكتوراه

غوستافو ستولوفيتسكي هو مدير مجموعة علم الجينوم الوظيفي وبيولوجيا الأنظمة في مركز البيولوجيا الحاسوبية في آي بي إم في أبحاث آي بي إم. تشارك مجموعة علم الجينوم الوظيفي وأنظمة الأحياء في العديد من المشاريع ، بما في ذلك تحليل شرائح الحمض النووي واستخراج بيانات التعبير الجيني ، والهندسة العكسية للشبكات التنظيمية الأيضية والجينية ، ونمذجة عضلات القلب ، ووصف الخصائص الناشئة للخيوط العضلية ، ونمذجة مسارات إشارات P53 ، و إجراء تحليل تسلسل التوقيع المتوازي على نطاق واسع.

حصل Stolovitzky على درجة الدكتوراه في الهندسة الميكانيكية من جامعة Yale وعمل في جامعة Rockefeller ومعهد NEC للأبحاث قبل مجيئه إلى IBM. وقد شغل منصب أستاذ جوليو المدعو في لابوراتوار دي ميكانيك دي فلويدس في باريس وكأستاذ زائر في قسم الفيزياء في الجامعة الصينية في هونغ كونغ. Stolovitzky هو عضو في اللجنة التوجيهية في مجموعة مناقشة علم الأحياء في أكاديمية نيويورك للعلوم.

مكبرات الصوت

ستيفن ألتشولر ، دكتوراه
ماتي أنالا

جامعة تامبيري للتكنولوجيا ، فنلندا
البريد الإلكتروني

نيكولا بارباريني ، دكتوراه
تشارلي بون ، دكتوراه
هارمن بوسيماكر ، دكتوراه
ألبرتو دي لا فوينتي ، دكتوراه
توم جينجيراس ، دكتوراه
فان آنه هوينه ثو
ليونيد كروجلياك ، دكتوراه
روبرت كوفنر ، دكتوراه

Ludwig-Maximilians-Universität ، ميونيخ ، ألمانيا
البريد الإلكتروني | الموقع | المنشورات

بو رو لو
راندال تي مون ، دكتوراه
راكيل نوريل ، دكتوراه
يارون أورنشتاين
روب باترو
سكوت باورز ، دكتوراه

مختبر كولد سبرينج هاربور
البريد الإلكتروني | موقع الكتروني

بوبي بريل ، دكتوراه
كريس ساندر ، دكتوراه

مركز ميموريال سلون كيترينج للسرطان ، معهد سلون كيترينج
البريد الإلكتروني | الموقع | المنشورات

ستيوارت شرايبر ، دكتوراه

HHMI ، معهد برود لجامعة هارفارد ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
البريد الإلكتروني | الموقع | المنشورات

عيران سيغال ، دكتوراه

معهد وايزمان للعلوم ، إسرائيل
البريد الإلكتروني | الموقع | المنشورات

مايكل سنايدر ، دكتوراه
بيتر سورجير ، دكتوراه
جون ستاماتويانوبولوس ، دكتوراه
جوستافو ستولوفيتسكي ، دكتوراه
مارك فيدال ، دكتوراه
ماتيو فينيس ، دكتوراه

المعهد الوطني للبحوث الزراعية (INRA) ، تولوز ، فرنسا
البريد الإلكتروني | الموقع | المنشورات

ماثيو ويراوخ ، دكتوراه
دون مونرو

دون مونرو كاتب علمي مقيم في موراي هيل ، نيو جيرسي. بعد حصوله على درجة الدكتوراه في الفيزياء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، أمضى أكثر من خمسة عشر عامًا في إجراء الأبحاث في الفيزياء وتكنولوجيا الإلكترونيات في Bell Labs. يكتب عن علم الأحياء والفيزياء والتكنولوجيا.

الرعاة

للسنة الثالثة ، تضافرت جهود ثلاثة مؤتمرات حول التنظيم الجيني وبيولوجيا الأنظمة وبيولوجيا الشبكة. على مدار خمسة أيام ، جمع الاجتماع في كنيسة ريفرسايد بالقرب من جامعة كولومبيا مؤتمر RECOMB الساتلي السابع حول علم الجينوم التنظيمي ، برئاسة مانوليس كيليس وزيف بار جوزيف ، مع مؤتمر RECOMB الساتلي السادس حول بيولوجيا الأنظمة ومؤتمر DREAM الخامس ، برئاسة جوستافو ستولوفيتسكي وأندريا كاليفانو.

بالإضافة إلى المحادثات الرئيسية الملخصة أدناه ، تضمنت المؤتمرات عروضاً شفهية وملصقة لعمل جديد مثير في هذه المجالات الديناميكية. بالإضافة إلى ذلك ، سلط مؤتمر DREAM الضوء على نتائج الجولة الأخيرة من "التحديات" لتقييم مهارات المشاركين في التعرف على الشبكات البيولوجية من البيانات المعماة.

إرسال الإشارات

تعتمد أنماط التعبير عن الخلايا جزئيًا على السياق الخلوي الذي توفره مسارات الإشارات مثل مسارات Wnt و ErbB ، وكل منها متورط في السرطانات. تحفيز مسار إشارات Wnt متعدد الاستخدامات له تأثيرات مختلفة بشكل ملحوظ ، اعتمادًا على وقت ومكان حدوثه. للعثور على الجزيئات التي تتحكم في هذه الحساسية ، راندال مون يستخدم كل من مقايسات أجنة الضفادع والأسماك والمقايسات القائمة على الخلايا باستخدام siRNA والبروتينات والجزيئات الصغيرة. وقال إن دمج النتائج من هذه الشاشات يساعد في تعويض نقاط الضعف الفردية ، لكن خطوات التحقق المتعددة لا تزال حاسمة. بيتر سورجير يدمج تجارب ونماذج الإشارات ، بما في ذلك تلك الموجودة في مسار ErbB ، على مستويات مختلفة من التفاصيل. تتراوح نماذج Sorger من المعادلات التفاضلية للديناميكيات التفصيلية إلى النماذج المنطقية للشبكات الكبيرة. وأشار إلى وجود تضارب متأصل بين مستوى التفاصيل البيولوجية والقدرة على تحديد معلمات النموذج.

سرطان

تظهر سرطانات الكبد تغييرات واسعة النطاق في أعداد نسخ الجينات. سكوت باورز اكتشف مناطق الجينوم التي تتضخم بشكل متكرر في هذه السرطانات ووجدوا 18 جينًا يسبب فرط التعبير عنها سرطان الكبد في نموذج فأر. قد تكون هذه الجينات مفيدة كمؤشرات حيوية للمسارات التي تتعطل في أورام معينة. تُظهر مشاريع جينوم السرطان أن الطفرات في كل مريض مختلفة ، لكنها تميل إلى التأثير على مجموعة مشتركة من المسارات. كريس ساندر يعتقد أن أفضل العلاجات سوف تتعرف على هذه الوحدات الشائعة ولكنها تستخدم مجموعات من الأدوية التي تستهدف مجموعات فرعية معينة من المرضى.

عدم التجانس

قال إن عدم التجانس في مجموعات الخلايا موجود في كل مكان ستيفن ألتشولر، وغالبًا ما يكون مهمًا من الناحية البيولوجية. نظرًا لأن الخلايا الفردية قد تتصرف بشكل مختلف تمامًا عن متوسط ​​السكان ، يحتاج الباحثون إلى تبرير استخدامهم للمتوسطات. اعترافًا بالتوزيع غير المتجانس للحمض النووي الريبي المنسوخ في مقصورات خلوية مختلفة توماس جينجراس، يتيح للباحثين العثور على نصوص نادرة. يقول إن حوالي نصف الجينوم يتم نسخه ومعالجته ، ويبدو أنه يتضمن أنواعًا عديدة من الحمض النووي الريبي (RNA) التي لم يتم فهم وظيفتها بعد.

القلق

قال تحليل استجابة الخلايا للجزيئات الصغيرة ستيوارت شرايبر، يوفر نظرة ثاقبة للعمليات الخلوية بالإضافة إلى إمكانات العلاجات. يعمل هو وزملاؤه على فهرسة علاقات الاستجابة للجرعة بشكل منهجي لمجموعة من الجزيئات شديدة التحديد ، والتي يجب أن توفر ، جنبًا إلى جنب مع التوصيف الجيني للخلايا ، أداة مهمة لترجمة العلم إلى علاجات. مارك فيدال قال إن زيادة رسم الخرائط وفهم الشبكات مثل تلك الخاصة بتفاعلات البروتين تعطي رؤية بيولوجية مهمة. يبدو أن أكثر من نصف الطفرات التي تؤدي إلى الإصابة بأمراض بشرية تغير طريقة تفاعل الجزيئات الكبيرة ، بدلاً من شلّ الأنواع الجزيئية الفردية. يمكن أن تساعد هذه الطفرات "المثير" في تفسير العلاقات الوثيقة بين العديد من الأمراض.

التفاعلات الجينية

قال إن أنماط التفاعل الجيني ، مثل أزواج الجينات التي تُظهر فتكًا اصطناعيًا عند حذف كليهما ، تعطي نظرة ثاقبة قوية لوظائفها. تشارلي بون. يستخدم هو وزملاؤه التحليلات الكمية لتقييم جميع المسوخات المزدوجة المحتملة البالغ عددها 18 مليونًا من جينات الخميرة البالغ عددها 6000 ، وبناء شبكات بناءً على النتائج. لكن التباين الطبيعي أكثر تعقيدًا ، لأن المتغيرات الجينية عادة ما يكون لها تأثيرات صغيرة وتظهر على خلفية الاختلافات في الجينات الأخرى. يمكن للخلفية تعديل تأثير المتغيرات والمحاولات المربكة لتتبع السمات القابلة للتوريث إلى المتغيرات الفردية. ليونيد كروجلياك طور طرقًا لرسم خريطة لجميع المواقع الجينية التي تساهم في تغير السمات باستمرار ، وكشف العديد من المواقع والتفاعلات المعقدة فيما بينها.

التنظيم على مستوى الجينوم

قال إن الاختلافات في التفاعلات التنظيمية ، ولا سيما في ارتباط عوامل النسخ ، هي وراء الكثير من الاختلافات الفردية وكذلك المرض ، مايكل سنايدر. غالبًا ما لا تؤثر الاختلافات في التسلسل التي تكمن وراء اختلافات الربط في زخارف عوامل النسخ نفسها ، ولكن على العوامل المساعدة الأخرى التي يمكن أن تكون بنفس الأهمية للجينات القليلة التي تنظمها. يمكن تعيين إمكانية الوصول الشاملة للحمض النووي إلى الجزيئات التنظيمية باستخدام نوكلياز داخلي DNase I جون ستاماتويانوبولوس، ونمط ارتباطه على الجينوم يعكس الأنساب التطورية. على مستوى النوكليوتيدات المفردة ، يعطي الانقسام بصمة محددة لكل عامل نسخ.

تفاعلات الحمض النووي و ndashprotein

يُفسر تنظيم النيوكليوسومات وعوامل النسخ إلى حد كبير من خلال تقاربها المعتمد على التسلسل عيران سيغال. طور فريقه اختبارًا كميًا للتعبير لتقييم آثار تغييرات التسلسل ، بما في ذلك التأثير الدراماتيكي لتسلسلات بولي أدينوزين الصلبة في تثبيط تكوين الجسيمات النووية وبالتالي السماح لعوامل النسخ بالوصول إلى الحمض النووي. يجب أن تتضمن ألفة الارتباط المحسوبة للبروتينات بالحمض النووي التبعيات بين المواضع المختلفة هارمن بوسيماكر، كما يتضح من الانقسام المعتمد على التسلسل للحمض النووي بواسطة DNase I. يسمح استخدام الصلات المتوقعة للباحثين باستخراج المحددات الجينية لعوامل النسخ بدقة.

تحديات الحلم

يتحدى DREAM التقييم النقدي لطرق إجراء استنتاجات حول الأنظمة البيولوجية من البيانات عالية الإنتاجية. نظرًا لتنوع تقنيات القياس والمشكلات البيولوجية ، يتم تخصيص التحديات المختلفة وتعديلها من سنة إلى أخرى.

هذا العام ، كان المنظمون المشاركون للتحديات جوستافو ستولوفيتسكي, روبرت بريل، و خوليو سايز رودريغيز. سجل بريل و راكيل نوريل، بدعم من موقع الويب من Tom Garben. كانت هناك أربعة تحديات أمام DREAM5.

ال تحدي التعرف على الأجسام المضادة (EAR) تطلب من الفرق توقع الببتيدات التي ستتفاعل مع مجموعة من الأجسام المضادة ، بناءً على التفاعل المعروف لمجموعة مماثلة من الببتيدات. تم تجميع البيانات بواسطة هانز يورجن ثيسين وزملائه. أفضل الفرق أداء ممثلة بـ روب باترو و نيكولا بارباريني يعتمد تصنيف الآلة المستخدمة بشكل أساسي على العديد من ميزات بيانات تسلسل الببتيد.

ال تحدي تمييز عامل النسخ والحمض النووي تم تجميع البيانات بواسطة مات ويراوخ وتيم هيوز من المصفوفات الدقيقة الملزمة للبروتين (PBMs). كان التحدي الرئيسي هو التنبؤ بالتفضيلات الملزمة لعوامل النسخ لمجموعة واسعة من تسلسلات الحمض النووي ، بناءً على الخصائص المقاسة لمجموعة تدريب من عوامل النسخ. كان التحدي الإضافي هو تحديد عوامل النسخ التي تم فحصها في كل تجربة. الفريق الأفضل أداءً في التحدي الرئيسي ويمثله ماتي أنالا، استخدم نموذج تقارب خطي يعتمد على التسلسلات القصيرة الأكثر إفادة. شارك هذا الفريق لقب أفضل أداء لجولة المكافأة مع فريق يمثله يارون أورنشتاين باستخدام مكتشف Amadeus ، يعتمد أيضًا على التسلسلات القصيرة الأكثر إفادة.

ال تحدي جينات النظم استخدم نوع البيانات التي تظهر من التقاطعات بين سلالتين نقيتين مختلفتين تمامًا. ينتج التهجين عددًا كبيرًا من النسل المتميز ، ولكل منها نمط وراثي يحتوي على أليل أحد الوالدين أو الآخر لكل جين. تم تجميع البيانات بواسطة ألبرتو دي لا فوينتي وزملائه. استخدم الجزء "أ" من هذا التحدي بيانات محاكاة من شبكة مكونة من 1000 جين مع كليهما رابطة الدول المستقلة و عبر الاختلافات الجينية. الفريق الأفضل أداء ويمثله ماتيو فينيس، استخدمت عدة خوارزميات مختلفة وجمعت النتائج. استخدم الجزء ب البيانات التجريبية لمقاومة العفن في فول الصويا. الفريق الأفضل أداء ويمثله بو رو لو، استخدم تحويل ترتيب الترتيب لتجنب الانغماس في القيم المتطرفة المتطرفة ، وأدرجت مجموعات منطقية منطقية لحساب التفاعلات المحتملة بين الجينات.

ال تحدي استدلال الشبكة يمثل تحديًا متكررًا في اجتماعات DREAM ، لاستنتاج شبكة الجينات من مستويات التعبير في مختلف الحالات المضطربة. دانيال مارباخوقام جيم كوستيلو وديوجو كاماتشو وجيم كولينز بتجميع البيانات. أنها تضمنت بيانات من معروفة تماما في السيليكو الشبكة ، كما في تحديات DREAM السابقة ، ولكن أيضًا ثلاث مجموعات من البيانات البيولوجية. الخميرة و بكتريا قولونية تم تسجيل البيانات بناءً على شبكات مقبولة جيدًا لتلك الأنواع. في المقابل ، فإن البيانات الخاصة بـ المكورات العنقودية الذهبية لم يتم تسجيله ولكن سيتم استخدامه لإنشاء تنبؤ مجتمعي ، نظرًا لعدم وجود شبكة مقبولة لهذا الميكروب. أفضل أداء بشكل عام و في السيليكو كان يمثله V & acircn Anh Huynh-Thu، وكما في تحليلهم الأفضل أداء من DREAM4 ، استخدموا نموذج شجرة القرار. الأفضل أداءً لـ في الجسم الحي البيانات ممثلة بـ روبرت ك وأوملفنر، كان أيضًا تكرارًا من DREAM4 ، واستخدم اختبار ANOVA.

يمثل تضمين البيانات البيولوجية والمحاكاة جنبًا إلى جنب نضوجًا مهمًا لتحديات DREAM ، وقد يساعدهم في جذب المزيد من الاهتمام من علماء الأحياء لطرق الاستدلال هذه.

مكبرات الصوت:
راندال مون، جامعة واشنطن
بيتر سورجير، كلية الطب بجامعة هارفارد ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

يسلط الضوء

  • يشارك مسار إشارات Wnt في العديد من العمليات ، بما في ذلك التطور الجنيني وتجديد الخلايا ، لكن تأثيره يختلف بشدة مع السياق الخلوي.
  • المقايسات واسعة النطاق القائمة على الخلايا ، بما في ذلك الضربات القاضية لـ siRNA والشبكات البروتينية وشاشات الجزيئات الصغيرة ، تعطي أدلة مهمة حول الجينات والبروتينات التي تعدل الإشارات على هذا المسار.
  • يعمل تكامل البيانات من شاشات متعددة على تحديد المرشحين بدقة أكبر من التحليلات الفردية ، ولكن لا تزال مستويات التحقق المتعددة ضرورية لضمان استنتاجات دقيقة.
  • أظهرت القياسات الديناميكية لمسار إشارات Erb دورانًا سريعًا لحالة الفسفرة التي تتناقض مع أوقات الاسترداد الطويلة الطبيعية ، وهي ضرورية لنمذجة استجابات الأدوية.
  • هناك تعارض متأصل بين النمذجة البيولوجية الشاملة والقدرة على تحديد قيم المعلمات ، ولكن اختيار التجارب الأكثر إفادة يمكن أن يحسن بشكل كبير من كفاءة هذه العملية.
  • تتطلب نمذجة الشبكات واسعة النطاق مناهج مثل المنطق المنطقي أو الضبابي التي تكون أكثر كفاءة من المعادلات التفاضلية الشاملة.

تشريح إشارات Wnt

تحدد الإشارات البيولوجية السياق البيولوجي الذي يتم من خلاله تنفيذ البرامج الجينية. خلال 25 عامًا من دراسة مسار إشارات Wnt ، راندال مون تعلمت أهمية الفحوصات المستقلة ذات الأهمية البيولوجية. يقول: "تعد مستويات التحقق المتعددة مهمة للغاية" ، خاصة وأن الباحثين يطبقون أدوات جديدة عالية الإنتاجية تولد العديد من الجزيئات المرشحة لأدوار في المسار.

يبدأ مستقبل Wnt عبر الغشاء إشارات تؤثر على مجموعة متنوعة من العمليات. في التطور ، على سبيل المثال ، تعد هذه الإشارة أساسية في تنظيم الأنسجة والأعضاء ، بحيث تطور أجنة الضفادع رأسًا ثانيًا استجابةً لإشارات Wnt الغريبة. في البالغين ، يعد المسار مهمًا للتجديد وتوازن الخلايا الجذعية ، بينما تؤدي إشارات Wnt المفرطة إلى أورام مختلفة.

"يمكن أن يكون لإشارات Wnt عدد قليل جدًا من التأثيرات المختلفة اعتمادًا على وقت ومكان التعبير عنها ،" أكد مون ، مما ينتج عنه تغيرات معاكسة تقريبًا في خلايا متطابقة يختلف عمرها ببضع ساعات فقط. "السمة المميزة لإشارة Wnt هي أنها تعتمد على السياق."

وأشار إلى أن "التحكم الرئيسي في هذا المسار يتمحور حول تنظيم استقرار بروتين بيتا كاتينين" ، والذي يعمل عن طريق الانتقال إلى النواة لتعديل النسخ. & يتم تنظيم نشاط بيتا كاتينين عن طريق التواجد ، والذي يستهدف البروتين من أجل التحلل البروتيني. تمنع إشارات Wnt هذا التواجد في كل مكان.

يتم إجراء العديد من تجارب مون على الأجنة ، على سبيل المثال الضفادع وسمك الزرد ، حيث لاحظ أن "مسار إشارات Wnt يُستخدم في سياق طبيعي تمامًا" في الأنسجة المختلفة. لتحديد الفاعلين المرشحين الآخرين في إشارات Wnt ، يستخدم Moon فحوصات تستند إلى الخلية ، مثل عمليات الضربات القاضية لـ siRNA والبروتيوميات ومقايسات الجزيئات الصغيرة. وأكد أنه مع ذلك ، من المهم "تعظيم صلاحية أي نتائج ، حتى لا تقضي كل وقتك في مطاردة الضربات غير المستهدفة."

وصف مون شاشة siRNA استنادًا إلى مراسل لوسيفيراز الأمثل لوجود & beta-catenin ، والذي أنتج في نوع خلية واحد 804 نتيجة من مكتبة جينات 22325. أدت الشاشة الثانوية ، التي استخدمت ثلاثة siRNAs إضافية لكل جين وتطلبت استجابة في سلالات خلوية متعددة ، إلى تقليل عدد المرشحين إلى 310. أما الشاشة الثالثة ، التي حددت التعبير عن الجينات الذاتية ، وليس فقط المراسلين الخارجيين ، فقد قللت من العدد إلى 63 جينًا.

بحث التحقق النهائي عن الأنماط الظاهرية النمطية للطفرة Wnt في أجنة الزرد أو التحليل البروتيني الذي وضع الجين في شبكة تفاعل البروتين والبروتين مع عناصر أخرى من مسار Wnt / & beta-catenin. في أحد الأمثلة ، حددت هذه العملية AGGF1 ، وهو "مطلوب لتعديل حوالي نصف جينات & beta-catenin المستهدفة" ، كما قال مون.

في نجاح مماثل ، اقترحت الشاشات البروتينية أن بروتين مثبط الورم WTX يتفاعل مع بيتا كاتينين. للتحقق من هذا التوقع ، تحقق فريق مون من أن WTX المؤتلف يتفاعل مع بيتا كاتينين ، وربما يزيد من انتشاره وبالتالي يحافظ على مستواه منخفضًا. وشدد على أن "أي شيء يخرج من شاشة البروتينات أو شاشة siRNA ، تحتاج في النهاية إلى دفعه نحو مستوى الفهم الكيميائي الحيوي".

قال مون إنه في اختبار ثالث قائم على الخلية ، "نستخدم شاشات جزيئات صغيرة لتطوير علاجات محتملة ، ولكن أيضًا لتحديد مكونات مسارات الإشارات." مسح مكتبة من المركبات شبيهة بتلك التي وصفها ستيوارت شرايبر، حدد عقارًا معتمدًا من قِبل إدارة الأغذية والعقاقير يسمى Riluzole. مستقبل الغلوتامات GRM1 الذي يستهدفه هذا الدواء لم يتم التعرف عليه سابقًا في إشارات بيتا كاتينين ، لذلك تشير التقنية إلى علم الأحياء الجديد بالإضافة إلى علاجي محتمل. وأشار مون إلى أن "استخدام شاشات جزيئات صغيرة لتحديد مكونات مسار الإشارات أمر قوي للغاية".

على الرغم من أن كل اختبار قائم على الخلية مفيد في حد ذاته ، إلا أن "دمج هذه التقنيات هو وسيلة قوية لتعويض النقص في أي شاشة واحدة" ، على حد قول مون. "أكبر قيود على siRNAs هو أنها تعطي الكثير من النتائج غير المستهدفة ، وأيضًا أنك لا تحصل على نظرة ثاقبة لآلية الإشارة" ، بينما تمنحك البروتينات "الكثير من البيانات ولكن لا يوجد دليل على الإطلاق إذا كانت نتائجك فعالة." إذا حدد الباحثون عتبة عالية للأهمية في هذه الاختبارات ، فإنهم يخاطرون بفقدان المرشحين الواعدين.من خلال الجمع بين siRNA وشاشات الجزيئات الصغيرة ، حدد مون وزملاؤه كيناز معينًا كمساهم في مسار Wnt / & beta-catenin ، وتحققوا من صحته باستخدام مقياس الطيف الكتلي.

ديناميات النمذجة التشوير

يتطلب التحليل الكامل للإشارات معرفة ليس فقط الجزيئات التي تتفاعل ، ولكن تفاصيل كيفية تأثيرها على بعضها البعض. بيتر سورجير وصف بعض جهود فريقه لإنشاء نماذج أكثر اكتمالاً على عدة مستويات مختلفة من الوصف.

تضمن أحد المشاريع قياس ديناميكيات مستقبلات عامل نمو البشرة (EGFR ، وتسمى أيضًا ErbB1 و Her1). يؤدي ارتباط EGF خارج الخلية بجزيء عبر الغشاء هذا إلى جعله ثنائيًا متماثلًا أو ثنائيًا مغايرًا مع أعضاء آخرين من عائلة ErbB ، والتي غالبًا ما يتم استهدافها في علاج السرطان. يتم بعد ذلك فسفرة الثنائيات ، مما يتيح لها إرساء البروتينات داخل الخلايا التي لها نطاقات ربط SH2 أو PTB وتنشيطها لمزيد من الإشارات.

"هذه فئة مفهومة جيدًا من البروتينات ،" لاحظ سورجير ، وأظهرت الدراسات أن التكيف مع الترابط يستمر لعدة ساعات. العديد من الأدوية تثبط استجابة المستقبلات ، بعضها عن طريق الارتباط بجيب ATP من ErbB1. من المثير للدهشة ، أنه استجابة لأحد هذه الأدوية ، gefitinib ، يتم نزع الفسفرة عن المستقبل في غضون عشرات الثواني ، وليس ساعات. وأشار سورجير "لقد كان رد فعل نزع الفسفرة أسرع بكثير مما كنا نتخيله". تم أيضًا إزالة الفسفرة بسرعة من شركاء ربط ErbB2 أو ErbB3 ، بالإضافة إلى Shc والبروتينات النهائية الأخرى.

نجح الباحثون في نمذجة هذا السلوك باستخدام المعادلات التفاضلية التي تفسر التركيز العالي جدًا في الخلفية لـ ATP. وأشار سورجير إلى أن "هذه الأدوية تحاول الوصول إلى جيبها الملزم في وجود منافس يبلغ حجمه 2 ملي مولار ، وهي واحدة من أكبر مشاكلها العلاجية".

لنمذجة تأثيرات عقار آخر ، lapatinib ، يتطلب نموذجًا أكثر تعقيدًا مع 47 معادلة تفاضلية عادية تتضمن انتقالات المستقبل إلى تكوين غير نشط. لاحظ سورجير أن "التغيير السريع ضروري لمعرفة الفرق بين العقارين". "إن النظر إلى ما يبدو أنه قطعة من علم الأحياء يبلغ من العمر 25 عامًا في بيئة ديناميكية بسيطة قد أدى إلى فكرة أن هذه الإشارات في الواقع ديناميكية للغاية."

وقال سورجير إن التعقيد المتزايد لهذه النماذج ، على الرغم من أنها تستند إلى أسس بيولوجية ، فإنها تشكل "مقايضة حتمية". "نظرًا لأننا أصبحنا أكثر تطورًا مع الفرضيات الأساسية ، فإننا نواجه صعوبة أكبر في بناء إطار عمل صارم للاستدلال في المستقبل." يعالج فريق Sorger هذه المشكلة جزئيًا من خلال اشتقاق نطاقات إحصائية للقيم بدلاً من القيم الدقيقة المخادعة.

مقارنة النماذج لأربعة خطوط خلايا سرطانية: النماذج الأكثر فاعلية لتمثيل استجابات أربعة خطوط خلايا سرطانية مختلفة لها اختلافات كبيرة في تفاعلاتها (أسهم ذات ألوان مختلفة).

حلل ويليام تشين ، الباحث في مرحلة ما بعد الدكتوراة ، كيف أن تجارب ضربة قاضية مختلفة لـ RNAi تحدد بشكل جيد معلمات طوبولوجيا شبكة معروفة. وجد أن اختيار الأنواع الأكثر إفادة لضربة قاضية ، بناءً على تحليل مفصل ، كان أكثر كفاءة من اختيار التجارب بشكل عشوائي. قال سورجير: "أفضل ثلاث تجارب أفضل ، في المتوسط ​​، من 25 تجربة RNAi تم اختيارها عشوائيًا" ، على الرغم من أن أفضل الخيارات "لم تكن بديهية بشكل واضح" حتى عندما كانت الشبكة معروفة. كان الجمع بين RNAi والتجارب الأخرى أكثر كفاءة.

على الرغم من أن النماذج الرياضية التفصيلية للإشارة يمكن أن تكون مفيدة للغاية ، إلا أن صعوبة تحديد المعلمات تجعل هذا المستوى من التفاصيل غير عملي لشبكات أكثر شمولاً. وأشار سورجير إلى أن أحد مظاهر هذه الصعوبة هو عدم وجود توافق في الآراء حول طوبولوجيا الشبكات. "اعتمادًا على المكان الذي تذهب إليه في الأدبيات ، ستجد فكرة مختلفة حول الشكل الذي يجب أن تبدو عليه الشبكة."

قام سورجير وزملاؤه في العمل على نطاق واسع بتوصيف نظام تجريبي يتكون من ثقافات خلايا الكبد البشرية الأولية وخطوط خلايا سرطان الكبد. يعرضون هذه الخطوط للعديد من الاضطرابات ويقيسون العديد من الاستجابات ، مثل إنتاج السيتوكين والتفاعل مع الأجسام المضادة الخاصة بالفوسفو.

في نمذجة هذا النظام ، قام Julio Saez-Rodriguez بتجميع شبكة إجماع من المعلومات الموجودة في الأدبيات ثم صقل النموذج بناءً على التجارب. قال سورجير إن الإجماع كان "خاطئًا في جزء كبير من الوقت" ، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن الأدبيات أشارت إلى روابط لم يكن لها دعم في التجارب. باستخدام وصف منطق ثنائي بسيط للعقد ، ومعاقبة التعقيد الإضافي ، شعر الباحثون بالرضا عندما اكتشفوا أنه يمكن وصف البيانات بنموذج أبسط بكثير مما بدأوا به. سمحت النماذج الناتجة ، التي تم إنشاؤها بشكل منفصل لكل نوع من أنواع الخلايا ، للفريق بتحديد كيفية اختلاف خطوط الخلايا الأولية والورم في طوبولوجيا الشبكة.

يحاول فريق Sorger أيضًا ربط النماذج الرياضية التفصيلية والنماذج المنطقية المبسطة من خلال النظر في وصف "المنطق الضبابي". قال: "المنطق الضبابي يسمح لك بأخذ ما يمكن أن يكون انتقالًا مباشرًا إلى إيقاف التشغيل في منطق منفصل وبدلاً من ذلك ترميزه باعتباره انتقالًا تدريجيًا" ، كما قال ، لكنه لا يزال فعالًا إلى حد ما.

مكبرات الصوت:
سكوت باورز، مختبر كولد سبرينج هاربور
كريس ساندر، مركز ميموريال سلون كيترينج للسرطان

يسلط الضوء

  • يمكن أن تشير عمليات الحذف والإدخال التي يتم اكتشافها بشكل متكرر في التحليل الجيني لأورام الكبد إلى الجينات الوقائية المحتملة والجينات الورمية ، على التوالي.
  • أكدت الفئران المعدية باستخدام (كدنا) من هذه الجينات المضخمة 18 جينًا مسرطًا معروفًا وجديدًا.
  • قد تكون هذه الجينات أكثر فائدة في قيادة المؤشرات الحيوية التي تشير إلى مسارات الإشارات المعطلة في مريض معين ، وليس كأهداف علاجية مباشرة.
  • يُظهر التحليل الجيني أن المرضى الذين لديهم على ما يبدو نفس السرطان لديهم طفرات محددة مختلفة ، لكن كل هذه الطفرات تعطل الوحدات الشائعة.
  • من المرجح أن يكون العلاج التوافقي المصمم وفقًا للاختلافات الفردية هو أفضل طريقة لمعالجة السرطان.
  • بالنسبة للشبكات الكبيرة ، قد يكون استنتاج الخصائص الإحصائية أولاً ثم اختيار أمثلة محددة أكثر فعالية من التعميم من الحلول الفردية.

اكتشاف الجينات المسرطنة الجديدة في سرطان الكبد

تعد التغيرات الجينية سمة شائعة في السرطانات ، وتجعلها أكثر تنوعًا ويصعب علاجها. المشاريع الأخيرة ، بما في ذلك أطلس جينوم السرطان والاتحاد الدولي لجينوم السرطان ، توصيف على نطاق واسع التباين الجيني في العديد من أنواع السرطان على أمل العثور على ميزات مشتركة وطرق جديدة لعلاجها.

في سرطان الكبد ، من بين جينات السرطان المعروفة التي تستهدفها العلاجات الحالية ، "لا يوجد أي تحور في الواقع بأي تكرار." سكوت باورز. لقد استخدم هو وزملاؤه بيانات جينوم السرطان للعثور على جينات مرشحة جديدة للعلاج أو لمؤشرات حيوية جديدة لتوجيه العلاج.

وأشار باورز إلى أن "حوالي 80٪ من سرطانات الكبد بها اختلافات واسعة في عدد نسخ الحمض النووي". لقد درس هو وزميله في كولد سبرينغ هاربور سكوت لوي سابقًا المناطق التي تم حذفها بشكل متكرر في السرطانات لتحديد الجينات الوقائية باستخدام تجارب ضربة قاضية قصيرة الحمض النووي الريبي. قال باورز في عمله الحالي ، "أخذنا مناطق مكبرة ونظرنا لنرى أي منها يحتوي على الجينات الورمية ، ليس عن طريق ضربها باستخدام RNAi ولكن عن طريق الإفراط في التعبير عنها باستخدام cDNAs." باستخدام تسلسلات تم التحقق منها من مجموعة Mammalian Gene ، قام فريقه بنقل خلايا كبدية في الفئران تم تعديلها لتكون عرضة للإصابة بالسرطان. في هذه الخلايا ، تم فقدان مثبط الورم p53 وتم زيادة التعبير عن الجين الورمي Myc و [مدش] "اثنين من التعديلات الجينية الشائعة جدا في سرطان الكبد."

تم حقن الخلايا المنقولة مع الجينات المسرطنة المرشحة في الطحال. وقال باورز "إذا قمت بذلك بعناية ، فسوف تنتشر الخلايا في جميع أنحاء الكبد" عبر نظام الدم. من بين 124 (كدنا) تم اختيارها لتعبيرها المفرط في السرطانات ، أدى 18 منها إلى توليد سرطانات كبد جديدة في هذا النموذج الفأري.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن الجينات المأخوذة من مناطق صغيرة مكبرة من المرجح أن تكون جينات مسرطنة حقيقية ، وليس "ركاب". وقال باورز إنه بالنسبة لأكبر المناطق التي تم تضخيمها ، والتي تزيد عن 10 ميجا بايت ، فإن فرص أن يكون الجين سائقًا لم تكن أعلى بكثير من مجموعة التحكم. "في المستقبل ، لتجاوز هذه الأمبليونات الصغيرة ، علينا تطوير نهج هجين من الاختيار الحسابي."

قال باورز: "كانت هذه أكبر مجموعة بيانات لـ cDNAs للجينات الورمية التي تم بناؤها على الإطلاق" ، لذا يمكن للباحثين التحقق من الأساليب الحسابية التي ربما تنبأت بالجينات المسرطنة. ووجدوا أنه لا مستوى تعبير RNA المستخدم على نطاق واسع ولا طريقة GRAIL قدمت تنبؤات ذات دلالة إحصائية.

الطريقة التي نجحت بشكل أفضل استندت في ترتيبها إلى شبكة تفاعل وظيفي بروتيني ، تحتوي على حوالي 20000 تفاعل. قال باورز: "الخوارزمية الأخيرة مذنبة بالارتباط". تعتمد الدرجة النهائية للجين على أعلى درجة للبروتينات التي يتفاعل معها منتجها. قال باورز: "ستكون واجهة التحقق الحسابي والوظيفي ذات أهمية متزايدة لتمكين التحليل المثمر لمشاريع جينوم السرطان".

واحد من الجينات المسرطنة الجديدة POFUT1، الذي يعمل في إشارات Notch. أكدت تجارب المتابعة أن الخلايا مع تضخيم POFUT1 يبدو أنه أكثر حساسية لتثبيط جاما سيريزاز لمسار النوتش.

آخر الورم هو FGF19، والتي كانت مفاجأة لأنها تقع في منطقة تمت دراستها على نطاق واسع في مرض السرطان. وأشار باورز إلى أن هذا التأثير قد فات لأن الأنسجة المختلفة تختلف بشكل كبير في التعبير عن الجين ، على سبيل المثال "في سرطان الكبد ولكن ليس في سرطان الثدي". قال باورز إنه على عكس إشارات ErbB الأكثر شيوعًا ، فإن رفع FGF19 يتوقف عن العمل وبيتا كاتينين بدون تنشيط MAP kinase. "في سرطان الكبد ، ربما يمكنك فقط إعطاء الأجسام المضادة أحادية النسيلة لـ FGF19 للمرضى الذين لديهم تضخيم لهذا الموضع."

وقال باورز في كلتا الحالتين ، "البيانات الأكثر إثارة التي نحصل عليها هي اختبار التبعية". "لم نكتشف بالفعل أهدافًا جديدة في حد ذاتها بقدر ما اكتشفنا مؤشرات حيوية جديدة لإدارة العلاجات."

شبكات السرطان

تسمح جينومات السرطان أيضًا للباحثين بتجاوز الجينات الفردية للنظر في شبكات تفاعلهم. كانت إحدى النتائج العميقة للورم الأرومي الدبقي متعدد الأشكال ، وهو أحد أوائل السرطانات التي تم تحليلها في أطلس جينوم السرطان ، أنه كان هناك "تنوع مذهل" في الجينات المصابة. كريس ساندر. "على الرغم من أن هذا كله ورم أرومي دبقي ، فإن الاختلافات كبيرة جدًا."

لاحظ ساندر أن كمية البيانات تجعل من غير العملي مقارنة الملامح الجينية للأورام يدويًا بالمعرفة الأساسية مثل المسارات البيولوجية. "يجب أن يتم ذلك بشكل حسابي." يُظهر هذا النوع من التحليل أن "أي جين فردي لا يقدم مساهمة متسقة عبر كل هذه الأورام ، ولكن الشيء المتسق هو الوحدات ، مجموعات الجينات التي تظهر معًا. هذه الوحدات متكررة بشكل أساسي في كل هؤلاء الأفراد ، ولكن التنفيذ يختلف من فرد إلى آخر ".

وشدد ساندر على أن معالجة هذا التنوع تتطلب تقسيم مجتمع مرضى السرطان ، على الأقل إلى مجموعات رئيسية ، لضمان أن العلاج يستهدف البشرة الجينية الخاصة بهم. "أنا واثق من أن نهج العلاج التوافقي ، الذي يستهدف الوحدات النمطية ولكن يتم تعديله من فرد إلى آخر هو الطريقة الصحيحة للذهاب."

في سرطانات أخرى ، تختلف تغيرات رقم نسخ الحمض النووي بشكل لافت للنظر عن تلك الموجودة في الورم الأرومي الدبقي ، كما قال ساندر. تختلف أورام البروستاتا اختلافًا كبيرًا في مدى تغيرات عدد النسخ ، والأورام النقيلية لها العديد من التغييرات الأخرى. حتى قبل ظهور النقائل ، فإن التغييرات في عدد النسخ تنبؤية ، حيث أن المرضى الذين لديهم عدد نسخ منخفض يتمتعون ببقاء أفضل. قال ساندر إن هذا الاختبار "أكثر تنبؤية من درجة جليسون ، وهو ما سيبلغ عنه علماء الأمراض". "السؤال هو ما إذا كان يمكن ترجمة هذا إلى اختبار سريري." وأضاف أنه "يجب أن يكون لديك مستوى معقول من التنبؤ واليقين حتى تتمكن من الذهاب بالفعل إلى هناك. نفسياً ، يريد الناس أن يعالجوا".

على الجانب المفاهيمي ، يعمل ساندر على "نكهة بيولوجيا الأنظمة" التي أطلق عليها "بيولوجيا الخلية المضطربة". الهدف هو نمذجة استجابات خطوط الخلايا للاضطرابات المنهجية مثل الأدوية ومجموعات الأدوية ، كما ينعكس في الملاحظات الغنية بما في ذلك الأنماط الخلوية والقياسات الجزيئية.

الوصف الرياضي الأساسي هو المعادلات التفاضلية التي تصف تركيزات الجزيئات في حالات الفسفرة المختلفة ، على غرار تلك التي ناقشها بيتر سورجير. تتمثل الطريقة التقليدية في تحديد مجموعة مثلى محليًا من معلمات النموذج ، ثم تكرار العملية عدة مرات مع شروط بدء جديدة. "ثم تقوم بالإبلاغ عن الخصائص الإحصائية المجمعة لمجموعة الحلول هذه وترسم الخريطة." قال ساندر للأنظمة الصغيرة. "يمكنك استعادة بعض علم الأحياء من الكتب المدرسية."

وشدد ساندر على أن "التحدي يكمن في توسيع نطاق ذلك ليشمل أنظمة أكبر ،" لأن "مشكلات استدلال الشبكة تصبح في الواقع غير قابلة للإدارة تمامًا في الأنظمة الأكبر." بالتعاون مع Riccardo Zecchina من Politecnico di Torino ، يبحث ساندر في أفكار فيزياء إحصائية "نكهة من الخوارزمية العالمية إلى المحلية". بدلاً من بناء التوزيعات الاحتمالية عن طريق حساب المتوسط ​​على الحلول الفردية ، يشتق الباحثون أولاً توزيعات لكل من قيم المعلمات ، مثل تلك التي تصف التفاعل بين نوعين. في بناء هذا "الرسم البياني للعوامل" ، تدخل التفاعلات الأخرى بطريقة متوسطة ، ويتم استنتاج الشبكة باستخدام "انتشار المعتقدات". عندها فقط يقوم الباحثون بتوليد حلول معينة. قال ساندر: "إنها أكثر كفاءة بكثير". لكن هذا لا يزال قيد التنفيذ.

مكبرات الصوت:
ستيفن ألتشولر، جامعة تكساس ساوثويسترن ميديكال سنتر
توماس جينجراس، مختبر كولد سبرينج هاربور

يسلط الضوء

  • غالبًا ما تتصرف الخلايا المختلفة في مجتمع ما بشكل مختلف ، ولكن عادةً ما يتم تجاهل هذا التباين على الرغم من أن أيا من الخلايا قد تتصرف مثل المتوسط.
  • يعكس التنوع اللاجيني الهائل للخلايا السرطانية المستنبتة مجموعات متفاوتة من أنواع قليلة ، وتندرج المجموعات السكانية النسبية من كل نوع في أنماط تتنبأ بالاستجابة لعقار التاكسول.
  • في نموذج ردود الفعل الإيجابية البسيط ، دائمًا ما يصاحب عدم التجانس داخل مجتمع الخلية الظروف التي تسمح بتطور قطبية الخلية.
  • تحتوي الأجزاء الفرعية الخلوية المختلفة على نسخ RNA التي تنشأ من أقسام مختلفة من الجينوم.
  • يتيح تتبع النصوص حسب القسم للباحثين تحديد النصوص التي قد يفوتونها في الخلية بأكملها ، ويظهر أن نصف الجينوم تقريبًا يتم نسخه وتقسيمه إلى RNA ناضج.
  • توجد الوصلات الكيميرية بين النصوص الناشئة من كروموسومات مختلفة بمستويات منخفضة في بعض الأجزاء الخلوية.

عدم تجانس الخلية

يقوم علماء أحياء الأنظمة ببناء نماذج شبكة معقدة للعديد من جوانب علم الأحياء. لكن "هذه الشبكات مستمدة بالكامل تقريبًا من قياسات متوسط ​​عدد السكان ،" يحذر ستيفن ألتشولر. "في كثير من الحالات ، يمكن أن يكون لديك استجابات تنبؤية للغاية في المجموعات السكانية المضطربة ، ولكن متوسط ​​القياس الخاص بك لا يتوافق مع خلية واحدة في الفحص بأكمله."

وأكد ألتشولر: "إذا كنت ستفترض أن المتوسط ​​يمثل تمثيلًا جيدًا لخلاياك ، فعليك إثبات ذلك". وصف ثلاثة مشاريع من المختبر الذي يديره مع زوجته ، لاني وو ، حيث لم يكن عدم التجانس مجرد ضوضاء ، بل كان مهمًا من الناحية البيولوجية. "الخلايا التي تختلف عن المتوسط ​​يمكن أن تكون مهمة للغاية."

يتعلق المثال الأول بتطور الخلايا الدهنية أو الخلايا الدهنية. تشمل الدوائر الجزيئية المعروفة التي تقوم عليها هذه العملية المنظم الرئيسي PPAR و gamma الذي يقود النمو المطرد لقطرات الدهون في الخلايا بالإضافة إلى مستوى الأديبونكتين. قد يكون التوقع الطبيعي أن تتبع الخلايا الفردية نفس المسار ، مع نمو مرتبط للقطرات ومستويات الأديبونكتين.

قال ألتشولر: "إذا نظرت إلى الخلايا ، فهذا أمر مزعج إلى حد ما" ، لأن معظم الخلايا تحتوي إما على قطرات دهنية كبيرة أو مستويات عالية من الأديبونكتين ، ولكن ليس كلاهما. يُظهر تتبع الخلايا الفردية أنه في "جميعهم تقريبًا" ، يرتفع مستوى الأديبونيكتين أولاً ، مع قطرات صغيرة من الدهون. في وقت لاحق ، تنمو القطرات ، مصحوبًا بانخفاض في مستوى الأديبونيكتين ، وهو عكس ما كان متوقعًا من القياسات التي تم الحصول عليها من متوسط ​​عدد السكان.

وخلص ألتشولر إلى أن "الارتباط هو وهم" ، لأن عددًا كبيرًا من الخلايا التي لا تزال تمر عبر التمايز المبكر يحرف المتوسط. علاوة على ذلك ، تؤثر المركبات المضافة دائمًا على مجموعات سكانية فرعية مختلفة بشكل مختلف ، بدلاً من مجرد نقلها جميعًا بنفس الطريقة. ونتيجة لذلك ، قال ألتشولر ، من خلال دراسة التأثيرات على المجموعات السكانية الفرعية ، "لدينا بالفعل طريقة لتحديد أهداف جديدة للمركبات".

في الجزء الثاني من حديثه ، تحول ألتشولر إلى السرطان. قال: "دائمًا ما يتم تجاهل عدم التجانس ، لأنك لا تعرف ماذا تفعل به". قارن فريقه مجموعة من 49 مستنسخة من خط خلايا سرطان الرئة. قال ألتشولر: "أفترض أن الكثير من الاختلافات التي نراها هي فوق جينية".

وأشار ألتشولر إلى أن استخدام العلامات للإشارة "ترى تنوعًا كبيرًا". "أنت تعتقد أن السرطان معقد بلا حدود." لكن خوارزميات استخراج الميزات تجعل التصنيف قابلاً للإدارة ، وقد قلل تحليل المكون الأساسي 1000 ميزة إلى حوالي 20 eigendimensions لكل خلية. علاوة على ذلك ، يمكن التقاط جميع الاختلافات بين الخلايا باستخدام حوالي خمسة مجموعات سكانية فرعية ، كما قال ألتشولر. "لم يعد هذا يبدو وكأنه مشكلة التعقيد اللانهائي."

قال ألتشولر في تحليله لـ 49 حيوانًا مستنسخًا ، "حدث الشيء الأكثر روعة: لقد تم تجميعهم في ستة أو سبع مجموعات مختلفة ،" لكل منها جزء مميز من الخلايا في المجموعات السكانية الفرعية المختلفة. علاوة على ذلك ، فصل هذا التصنيف بشكل شبه كامل الحيوانات المستنسخة فيما يتعلق باستجابتها لعقار تاكسول. وخلص ألتشولر إلى أن "المجموعات السكانية الفرعية سمحت لنا ، قبل أن نعطي هؤلاء السكان أي دواء ، بالقدرة على التمييز فيما إذا كانوا حساسين للعقاقير أم لا".

استكشف موضوع ألتشولر الثالث كيف ينشأ عدم التجانس في النموذج النظري لاستقطاب الخلية. يشتمل النموذج على جسيمات نشطة على غشاء الخلية يمكنها تجنيد الجسيمات غير النشطة من العصارة الخلوية وجعلها نشطة. "إنها حلقة ردود الفعل الإيجابية الكلاسيكية." قال التشولر. بالإضافة إلى ذلك ، تنتشر الجزيئات الموجودة في الغشاء حول سطح الخلية.

اتضح أن هناك معلمة رئيسية واحدة في النموذج: عدد الجسيمات في كل خلية. إذا كان هذا العدد كبيرًا ، تنتشر الجسيمات في كل مكان ولا يحدث أي استقطاب.(يختلف هذا عن الحالات الكلاسيكية التي درسها تورينج وآخرون ، حيث يعكس تكوين الأنماط ردود فعل إيجابية وسلبية على حد سواء.) إذا كان عدد الجسيمات صغيرًا ، فإن التغذية المرتدة تكون صغيرة جدًا بحيث لا يمكن أن تظهر القطبية. فقط للأعداد المتوسطة من الجسيمات ينتج هذا النموذج قطبية الخلية. ولكن بالنسبة لقيم المعلمات التي يحدث فيها الاستقطاب ، فإنه يحدث فقط لحوالي نصف الخلايا. قال ألتشولر: "لا يمكن تجنب عدم التجانس رياضيًا هنا".

التوطين الخلوي للحمض النووي الريبي المنسوخ

التعبير غير المتجانس ، حتى داخل الخلية ، مهم أيضًا للحمض النووي الريبي. تتمثل إحدى طرق تخمين مقدار وظائف الجينوم في قياس مقدار ما يتم نسخه إلى RNA ومعالجته إلى أشكال قابلة للاستخدام. يقوم فريق GENCODE الكبير في مشروع ENCODE بمراجعة تسلسلات cDNA المنشورة كاملة الطول ويقوم برعايتها يدويًا لضمان "الجودة ، والقدرة على التشفير ، وشرعية مواقع الربط على ما يبدو ، وما إلى ذلك ،" قال توماس جينجراس. وقال إن حوالي 142000 نسخة تم شرحها جيدًا ، نصفها يبدو أنه لا يحتوي على ترميز بروتيني. وأشار جينجراس إلى أن "حوالي 70٪ من النصوص غير مذكورة" ، لذلك هناك الكثير مما يمكن تعلمه.

يتمثل أحد الجوانب المهمة لهذا المشروع في تتبع النصوص ، في 15 سطرًا خلويًا ، التي تظهر في مقصورات خلوية مختلفة ، بما في ذلك السيتوبلازم والنواة ، وخط خلية واحد في النواة ، والنيوكليوبلازم ، والكروماتين. يشير التعرف على التركيب غير المتجانس لهذه الأجزاء إلى إمكانية وجود وظائف مختلفة للنصوص.

يُبرز النظر إلى أقسام مختلفة أيضًا أهمية النصوص النادرة. وقال جينجيراس "هذا التخصيب يسمح لك برؤية عدد أقل من الأشياء التي لولا ذلك كان من الممكن أن تكون في ذيل التوزيع." في المقابل ، "إذا تعاملت مع الخلية بأكملها على أنها كيس من الجزيئات ، فمن الأفضل لك تسلسل الجحيم للخروج منها."

حصل الباحثون على حوالي 400 مليون قراءة متسلسلة في كل قسم. قال جينجيراس: "يبدو أن هذا كثير ، لكنه يسمح لنا فقط برؤية لمحة عن نصوص عدد النسخ المنخفضة الموجودة في أجزاء معينة". لكنه شدد على أن معظم القراءات اجتازت "معدل اكتشاف غير قابل للاختزال" أو IDR ، وهو احتمال ألا يقيس القياس المتكرر نفس النتيجة. "هذه البيانات التي نستخدمها متحفظة للغاية." وقال إنه حتى مع وجود معدل IDR يبلغ 0.1 ، فإن "الجينوم مغطى نصفه تقريبًا بنصوص تتم معالجتها وتقسيمها".

قال جينجيراس إنه من بين العديد من فئات النصوص المثيرة للاهتمام ، "يبرز فصل واحد". يبدو أن نسخ هذه الخيوط يبدأ في 3 & مناطق غير مترجمة (UTRs) في ذيل النصوص الأخرى. تحدث مثل هذه النسخ في 80٪ من الجينات المعبر عنها في الذبابة و 62٪ من الجينات البشرية المعبر عنها التي تم فحصها حتى الآن. وقال جينجيراس: "تبدو وكأنها منطقة خاضعة للتنظيم للتعبير".

تأتي التسلسلات المنسوخة في أجزاء مختلفة من مناطق مختلفة جدًا. على سبيل المثال ، "في النواة والكروماتين ، تم العثور بشكل بارز على 5 نهايات متوجة ونهايات أولية تنبع من المناطق بين الجينات ، وليس من النصوص المشروحة." لاحظ Gingeras. "تضع الخلية في هذه الأجزاء نسخًا مكتوبة تبدأ في أجزاء مختلفة من الجينوم."

يختلف عدد سكان الحمض النووي الريبي المنسوخ اختلافًا كبيرًا ، اعتمادًا على الحيز الخلوي المعزول منهم.

وصف جينجيراس أيضًا الحمض النووي الريبي "الكيميري" ، الذي يدمج مقاطع منسوخة من كروموسومات مختلفة. تم وصف هذه التوليفات الفردية من قبل آخرين في الأدبيات ، لكن وظيفتها وحتى وجودها كان موضع جدل. بعد اختبارات تجريبية مكثفة ، قال Gingeras ، "من الواضح أن هذه الجزيئات موجودة في الخلايا حيث حددناها ، وإن كان عدد النسخ داخل هذا النوع من الخلايا أقل بكثير من الأشكال العادية."

وجد الباحثون ، من بين أمور أخرى ، أن الكيميرات تميل إلى ضم المناطق القريبة من بعضها البعض في كروماتين ثلاثي الأبعاد. "ستة وسبعون بالمائة من الحمض النووي الريبي الوهمي الذي نراه يقع في المناطق التي يكون فيها الحمض النووي ، من خلال تجارب التشابك ، قريبًا بدرجة كافية ليتم ربطه في تجربة 5C. يبدو أن هذه المناطق الجينومية تم جمعها معًا لأغراض النسخ. "

قال جينجيراس: "لا نعتقد أن هذه أحداث عشوائية ، على الرغم من أنها موجودة بعدد نسخ منخفض نسبيًا". بشكل عام ، "يحتوي مشهد النسخ على مجموعة متنوعة كاملة من النصوص التي تظل وظيفتها غير محددة ، لكننا لم نكن على دراية بخصائصها".

مكبرات الصوت:
ستيوارت شرايبر، معهد برود
مارك فيدالومعهد دانا فاربر للسرطان وكلية الطب بجامعة هارفارد

يسلط الضوء

  • يمكن أن تكون الاستجابة للجزيئات الصغيرة بمثابة مصنف لوجود أو نوع فرعي من السرطان.
  • يقوم الباحثون بشكل منهجي بفهرسة الاستجابات الجزيئية للخلايا على مستويات مختلفة من الجزيئات الصغيرة شديدة التحديد ، للمساعدة في وضع فرضيات لبيولوجيا المرض وعلاجه.
  • قدمت دراسة الشبكات ، على سبيل المثال تفاعلات البروتين والبروتين ndashprotein ، رؤى مهمة بين النمط الجيني والأنماط الظاهرية مثل المرض.
  • يبدو أن حوالي نصف الطفرات المسببة للمرض البشري "إديجيتية": تعديل التفاعلات بين البروتينات بدلاً من وجودها.
  • إن العثور على البروتينات التي تستهدفها الفيروسات والجينات التي تسبب نفس المرض يحدد المرشحين الجدد للتدخل.
  • يبدو أن شبكات التفاعل تتطور بشكل أسرع من تسلسلات ترميز البروتين.

تحقيقات الجزيئات الصغيرة للسرطان

إن المعرفة الواسعة بالشبكات الجزيئية الكامنة وراء المرض ليست ذات فائدة كبيرة للمرضى الذين ليس لديهم طرق للتلاعب بهذه الشبكات ، على سبيل المثال باستخدام الأدوية ذات الجزيئات الصغيرة. في الوقت نفسه ، يمكن أن تؤدي الاستجابة للجزيئات الصغيرة التي تزعج عُقدًا معينة في الشبكة إلى رؤية بيولوجية قوية حول كيفية تفاعل هذه العقدة مع الآخرين. لتسريع كل من العلاجات والفهم الأساسي ، ستيوارت شرايبر يقوم وزملاؤه بتجميع فهرس شامل للاستجابة المعتمدة على الجرعة لمزارع الخلايا لمكتبة من المركبات المستهدفة بدقة. وقال: "نحن نحاول النظر إلى علاجات السرطان بطريقة متكاملة" ، مكملاً الفهارس السابقة للاستجابات مع التوصيف الجيني المفصل للخلايا.

بعض الجزيئات الصغيرة فعالة بشكل غير عادي ضد نسخ وراثية معينة من السرطانات. Imatinib ، الذي يتم تسويقه في الولايات المتحدة باسم Gleevec ، فعال بشكل أساسي بنسبة 100 ٪ ضد ابيضاض الدم النقوي المزمن ، على سبيل المثال. وأشار شرايبر إلى أن "أقل من 1٪ من مرضى السرطان اليوم يستفيدون من هذه النتيجة الإكلينيكية الدراماتيكية" ، لأنه لا يوجد دواء مشابه معروف لسرطانهم. يهدف مشروعه الجديد إلى تحقيق فوائد أوسع من خلال ربط مجموعات المرضى المتميزة وراثيًا بأهداف الأدوية أو مجموعات الأدوية.

أظهر فريق شرايبر مؤخرًا أن استجابة الخلايا المزروعة لمختلف الجزيئات الصغيرة يمكن أن تحدد المرضى الذين يعانون من الشكل الجيني لمرض السكري يسمى MODY1. وقال "يمكنك استخدام جزيئات صغيرة كمصنف والتنبؤ بما إذا كانت الخلايا جاءت من أفراد مصابين أو غير متأثرين". كان هذا العمل مصدر إلهام لمشروعهم ، بتمويل من شبكة اكتشاف وتطوير السرطان التابع للمعهد الوطني للسرطان ، أو CTD 2 ، لترجمة بيانات جينوم السرطان (تمت مناقشتها بواسطة سكوت باورز و كريس ساندر) في التطبيقات السريرية.

وحذر شرايبر من أن "ما لا نعرفه هو ما إذا كانت الجزيئات الصغيرة التي تستهدف الاعتماد المشترك على الجينات غير الورمية ، باستخدام مبدأ القتل الاصطناعي ، يمكن أن يكون لها نفس النوع من النتائج السريرية". مثل هذه التبعيات شائعة في السرطان ، لأن الجينات الورمية تختار مسارات الإشارات الموجودة مسبقًا لتكاثر السرطان والبقاء على قيد الحياة ، فإنها تحشد دعم البروتينات الأخرى لتمكين هذه المسارات.

على سبيل المثال ، غالبًا ما تكون الجينات المسرطنة بروتينات قابلة للتغير حساسة لدرجة الحرارة ، لذا فهي تكتسب الحاجة إلى المرافقين. أظهر الاستكشاف المبكر للبيانات المتراكمة أن تأثير مثبط لمثل هذا المرافِق ، وهو بروتين الصدمة الحرارية HSP70 ، زاد في الخلايا ذات Myc المتضخم ، والتي توجد بشكل متكرر في السرطانات.

جزيء صغير آخر له تأثير أكبر بكثير في الخلايا ذات الطفرات النشطة في الجين الورمي بيتا كاتينين. اقترح شرايبر أن هذا التأثير لا يتعلق بدور بيتا كاتينين في إشارات Wnt (تمت مناقشته بواسطة راندال مون) ولكن لتأثير الجزيء الصغير في تحييد أنواع الأكسجين التفاعلية ، والتي تتعلق بعملية التمثيل الغذائي غير العادية للخلايا السرطانية.

تدعم حالات الاختبار المبكرة هذه ، وغيرها ، جهود شريبر وفريقه لفهرسة العلاقة بين الجرعة والاستجابة لخطوط الخلايا والمركبات المختلفة بشكل منهجي. وقال شرايبر إن هذه المركبات التي تشكل مجموعة مجسات CTD 2 يتم اختيارها "بشكل أساسي على أساس وجود دليل على أن المركب انتقائي للغاية". "نحن نطلق عليها اسم" المركبات النشطة ضيقًا "". باستخدام الأتمتة المكثفة ، يميز الباحثون الاستجابة الجزيئية والمظهرية لـ 1000 خلية مميزة وراثيًا لمجموعة من تركيزات الجزيئات الصغيرة. بالإضافة إلى الاستجابات الفردية ، شدد شرايبر ، "يمكنك استخدام هذه الخلايا المميزة وراثيًا للنظر في مجموعات من المركبات".

مشروع آخر يعمل عليه شرايبر وزملاؤه يسمى مشروع موسوعة الخلية السرطانية ، وهو تعاون مع معهد نوفارتيس للأبحاث الطبية الحيوية. سيوفر هذا المورد قريبًا بيانات توصيف شاملة للعديد من خطوط الخلايا المتاحة للجمهور ، بما في ذلك بيانات رقم النسخ على مستوى الجينوم ، والتعبير الجيني ، وطفرات الجينات الورمية المستهدفة ، بالإضافة إلى تسلسل الإكسوم الشامل. يأمل شرايبر أن تتمكن هذه الموارد من تغيير "لواء الدلو" التسلسلي التقليدي لتطوير المستحضرات الصيدلانية بشكل كبير.

ربط التركيب الوراثي والنمط الظاهري من خلال شبكات التفاعل

أصبحت بيانات التركيب الوراثي للأفراد الأصحاء المتنوعين والأورام متاحة على نطاق واسع. إن العلاقات بين هذه الأنماط الجينية والأنماط الظاهرية ، مثل القابلية للإصابة بالأمراض "هي الأسئلة الأكثر إثارة للاهتمام في علم الأحياء" ، كما يقول مارك فيدال. لكن الاتصال معقد. حتى السمات المندلية البسيطة تُظهر اختراقًا غير كامل ، وتأثيرات متعددة للطفرات ، وتعديل بواسطة جينات أخرى. بالنسبة للسمات المعقدة ، يكون الاتصال أقل مباشرة. قال فيدال: "لفهم العلاقات بين النمط الجيني والنمط الظاهري ، والتي هي بعيدة كل البعد عن الخطية ، نحتاج إلى فهم الأنظمة".

واحدة من أكثر الطرق فعالية لوصف هذا الارتباط غير الخطي هي لغة الشبكات ، حيث يتم تمثيل الأنواع الجزيئية على شكل عقد وتفاعلاتها كحواف. قال فيدال ، استنادًا إلى عقد من التقدم أو نحو ذلك ، "يمكننا أن نقول بأمان أن هناك بالفعل خصائص عالمية في الشبكات التفاعلية الخلوية ، وأن تلك الخصائص تتعلق بالبيولوجيا."

يعتبر فيدال رائداً في القياسات الشاملة لتفاعلات البروتين و ndashprotein ، ولا سيما من خلال طريقة الخميرة ثنائية الهجين. حتى الآن ، لا يُعرف سوى حوالي 20٪ من تفاعلات الخميرة وحوالي 5٪ من التفاعل البشري. لكن يعتقد فيدال أنه في غضون 10 سنوات أخرى ، سيتم تعيين حوالي 70٪ و 90٪ من هذه الشبكات بجودة عالية ، وسيستمر في توليد رؤى بيولوجية.

في سياق المرض الذي يصيب الإنسان ، أشار فيدال إلى أنه "في كثير من الحالات يكون لديك طفرات في عدة جينات يمكن أن تسبب اضطرابًا واحدًا ، والعكس ، وهو أن الطفرات المختلفة في نفس الجين يمكن أن تؤدي إلى اضطرابات مختلفة". لاستكشاف هذه العلاقات ، قام هو ومعاونوه باستخراج قاعدة بيانات Mendelian Inheritance in Man (OMIM) لبناء "المرض". من خلال ربط الأمراض التي تشترك في الجين والجينات التي تشترك في المرض ، قاموا بإنشاء رسم بياني ثنائي الأجزاء يساعد في توضيح العلاقات المعقدة بين الأمراض.

قال فيدال إن النظر إلى هذه العلاقة بين الأمراض يؤدي إلى أسئلة جديدة ، مثل "كيف نفسر أن الطفرات المختلفة في نفس الجين تؤدي إلى اضطرابات مختلفة ، من منظور الشبكة؟" اقترح أن بعض الأمراض لا تنشأ بسبب وجود عقدة معينة ، تمثل الجزيء الكبير ، مفقودة من الرسم البياني. بدلاً من ذلك ، يمكن تغيير حافة الشبكة أو التفاعل. وقال "اضطراب حافة أخرى قد يعطي صفة ظاهرية مختلفة".

يبدو أن ما يقرب من نصف الطفرات المرتبطة بالأمراض البشرية تعطل التفاعلات بين البروتينات ، أو الحواف ، بدلاً من تعطيل البروتينات نفسها.

استخدم فيدال وزملاؤه بيانات التسلسل من قاعدة بيانات طفرة الجينات البشرية لاختبار هذا الاحتمال ، وافترضوا أن التغييرات المتسلسلة مثل أكواد الإيقاف المبكر ربما تمثل اضطرابات في العقدة ، بينما من المحتمل أن تكون الطفرات الخاطئة أو داخل الإطار "مفعمة بالحيوية" تؤثر على تفاعلات البروتين. وجدوا أن ما يقرب من نصف الطفرات المعروفة بأنها مرتبطة بالمرض تبدو مفعمة بالحيوية.

قال فيدال في اختبارات المتابعة: "في كل مرة قلنا ، وفقًا لهذا النموذج البسيط ، قد يؤدي هذا الجين في الواقع إلى اضطرابات في الطاقة ، ويمكننا التحقق تجريبيًا من أن هذا هو الحال بالفعل." قال إن النظر إلى البروتينات التي لها مجالات ارتباط متعددة والتي ترتبط جيناتها بمرضين على الأقل ، أظهر أن الاضطرابات المختلفة تعكس دائمًا طفرات في مجالات مختلفة ، كما هو متوقع.

قال فيدال إن فكرة تغيير الحواف في الشبكات توفر أيضًا نافذة جديدة على التطور. يستكشف فريقه كيف تتغير توصيلات الشبكات أثناء التطور ، وليس تسلسل الجينات نفسها. إنهم يستغلون البيانات التجريبية من النباتات ، التي لديها العديد من الأزواج المتماثلة التي تبدو متشابهة وربما نشأت من تكرار في سلف مشترك. يشير التحليل حتى الآن إلى أن ملفات تعريف التفاعل للجينات المكررة تتباعد بشكل أسرع من التسلسلات المقابلة.

في مشروع آخر مستمر ، يبحث فيدال وفريقه في الفيروسات المسببة للأمراض ، ومقارنتها بالطفرات الجينية التي تسبب نفس المرض. لقد أكدوا أن أهداف البروتين للفيروسات قريبة في شبكة التفاعل من منتجات الجينات المشاركة في نفس المرض. قال فيدال: "تساعدنا أقصر الطرق في طرح الفرضيات الخاصة بمسببات المرض".

مكبرات الصوت:
تشارلي بون، جامعة تورنتو
ليونيد كروجلياك، جامعة برينستون

يسلط الضوء

  • التفاعلات غير المضافة ، مثل القاتلة الاصطناعية ، بين أزواج الجينات المحذوفة غنية بالمعلومات حول علاقات الجينات ، ويتم تصنيفها بشكل منهجي في الخميرة.
  • غالبًا ما تكون الجينات ذات أنماط التفاعل المتشابهة مع الآخرين في نفس المسار ، وتشير ضمنًا إلى شبكات ذات وظائف بيولوجية يمكن التعرف عليها.
  • بالمقارنة مع الطفرات المزدوجة ، فإن التباين الطبيعي الكامل الذي كشفته التهجينات بين السلالات المتنوعة وراثيًا هو أكثر تعقيدًا.
  • لا يمكن تفسير وراثة الأمراض التي تصيب الإنسان تمامًا بالتأثيرات الصغيرة للمتغيرات الفردية التي حددتها الدراسات على مستوى الجينوم.
  • تولد تهجينات الخميرة الملايين من السلالات المتميزة وراثيًا ، مما يسمح بالتقييم الكمي لمساهمات المواقع الجينية المختلفة في سمة ما.

مسح طفرات الخميرة المزدوجة

قال الحذف المنهجي لأزواج الجينات في الخميرة يعطي معلومات غنية حول كيفية تفاعل الجينات مع بعضها البعض تشارلي بون. الشبكات القائمة على هذه التفاعلات الجينية تلخص البيولوجيا المعروفة وتكشف عن جوانب جديدة من المسارات والمجمعات. لكن التقاطعات بين السلالات تظهر أن تأثير التباين الطبيعي لا يمكن تفسيره بسهولة من حيث الأزواج المتفاعلة.

قال بون إنه من بين 6000 جين في الخميرة في مهدها ، يمكن حذف 5000 دون قتل الكائنات الحية. بالنسبة للألف جين "الأساسية" المتبقية ، يقوم الباحثون بتطوير أليلات حساسة لدرجة الحرارة (ts) والتي تحذفها بشكل فعال بعد التطوير. إجمالاً ، هذا يعني أنه يمكن للباحثين صنع حوالي 18 مليون متحولة حذف مزدوج مميزة ، كل منها يهدف بون إلى توصيفه.

قال بون: "يحدث التفاعل الجيني عندما يحدث شيء غريب". المثال الأكثر وضوحًا هو القاتلة التركيبية ، عندما لا يكون أي من الجينين ضروريًا بمفرده ولكن حذف كليهما يكون مميتًا. يمكن أن يحدث هذا عندما يوجد جينان على مسارات زائدة عن الحاجة ، وتحتاج الخلية إلى مسار واحد على الأقل للبقاء على قيد الحياة. قال بون: "العديد من المسارات ليست ضرورية. لأن هناك مسارًا احتياطيًا". يحدث التفاعل المعاكس عندما يتسبب أي من الجينين في بعض الانخفاض في اللياقة ، ولكن نظرًا لأن كلاهما يعطل المسار نفسه ، فإن حذف كليهما لا يجعل الأمور أسوأ.

قال بون: "الجينات التي لها نفس النمط من التفاعلات المميتة الاصطناعية غالبًا ما تكون في نفس المسار". يؤدي ربط الجينات التي لها أنماط تفاعل متشابهة إلى إنشاء شبكات تفاعل جيني مماثلة لتلك القائمة على تفاعلات البروتين الفيزيائية أو أوجه التشابه في التعبير الجيني. قال بون: "في النهاية ، يحدد موقع الجين على الشبكة والاتصال وظيفته".

يؤدي تجميع الجينات بناءً على تشابه تفاعلاتها إلى شبكات يتم فيها تجميع الجينات ذات الوظائف البيولوجية المألوفة معًا ، جنبًا إلى جنب مع بعض الجينات التي لم يتم توضيحها سابقًا. "حتما ، عندما نختبرها ، فإن هذه الجينات هي مكونات جديدة للمسار الذي ترتبط به."

يأمل بون وبريندا أندروز ومعاونوهما في توسيع هذه القياسات لتشمل جميع الأزواج المحتملة في غضون عامين. وقال "أحد التحديات الرئيسية مع هذه المشاريع هو إتمامها". بالإضافة إلى أتمتة الإعداد وقياس حجم المستعمرة كمؤشر للياقة البدنية ، كان أحد التحديات الكبيرة هو تطوير مقياس كمي لانحراف الطفرات المزدوجة عن التأثير المتوقع للجمع بين عمليات الحذف الفردية. يمكن أن تكون هذه الانحرافات إما "سلبية" مثل النسخ الاحتياطية ، أو "إيجابية" عندما تعمل الجينات معًا.

غالبًا ما تربط شبكة التفاعل الجيني المستنبطة فقط من النتائج غير المتوقعة للطفرات المزدوجة الجينات ذات الصلة بالوظيفة البيولوجية.

تعطي مقارنة شبكة التفاعل الجيني مع تفاعلات البروتينات والبروتينات المعروفة بعض المفاجآت. على سبيل المثال ، من المتوقع أن تظهر البروتينات المتفاعلة جسديًا داخل معقد تفاعلات جينية إيجابية ، بحيث يكون الزوج أقل ضررًا من تأثيرهما المشترك المتوقع ، نظرًا لأن المركب معطل بالفعل. وقال بون إنه على الرغم من "وجود تفاعلات إيجابية تتداخل مع التفاعلات الجسدية ، إلا أن هناك العديد من التفاعلات السلبية التي تتداخل مع التفاعلات الجسدية". بالإضافة إلى ذلك ، "تحدث العديد من التفاعلات الإيجابية أيضًا بين المسارات."

في النهاية ، يرغب الباحثون في فهم كيفية تفاعل المتغيرات المختلفة للجينات في بيئتها الطبيعية المعقدة ، وليس فقط في أزواج منعزلة. للتعرف على هذا التباين الطبيعي ، درس بون وزملاؤه التهجينات بين سلالتين معملتين متميزتين جيدًا.

بحث الفريق عن الجينات "الأساسية المشروطة" ، والتي تعتبر أساسية في إحدى السلالات ولكن ليس في الأخرى. ثم قاموا بإجراء عمليات تهجين بين سلالة حيث يكون الجين ضروريًا ولكنه موجود مع سلالة أخرى حيث لم يكن ضروريًا وحذفها. إنهم يتوقعون أن بقاء الهجين سيتوقف في كثير من الأحيان على وجود أليل من جين مختلف يجعل الجين المحذوف قاتلاً.قال بون ، بالنظر إلى إحصائيات الصلبان ، "يمكننا تقييم ما إذا كانت هذه الضروريات المشروطة ترجع إلى حالة بسيطة من الهلاك الاصطناعي أم لا". لكنه وجد دهشته "لم تكن أبدًا حالة بسيطة لمعدِّل واحد يؤدي إلى تفاعل مميت اصطناعي". "استنتاجنا هو أن النمط الجيني إلى النمط الظاهري هو مشكلة معقدة بشكل لا يصدق."

قياس المساهمات الجينية في السمات

على الرغم من أن بعض السمات والأمراض البشرية تتبع الميراث المندلي البسيط ليونيد كروجلياك، "معظم الأشياء التي نهتم بها حقًا. تتبع أنماطًا وراثية أكثر تعقيدًا." على الرغم من أن دراسات الارتباط الواسع للجينوم في السنوات القليلة الماضية قد كشفت عن ما يقرب من 1000 منطقة وراثية مرتبطة بالأمراض ، فإن التأثير الكلي لهذه الجينات لا يفسر عادةً التوريث المعروف.

طول الإنسان ، على سبيل المثال ، يمكن توريثه بنسبة 80٪ ، لكن 180 موقعًا معروفًا تشرح فقط 10٪ من التباين السكاني. أحد المصادر المحتملة لـ "الوراثة المفقودة" هو أن هناك العديد من المتغيرات ذات حجم التأثير الأكبر ، ولكنها نادرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها بشكل مقنع في معظم الدراسات.

قال كروغلياك: "لأننا نتعامل مع تأثيرات صغيرة ، نحتاج إلى أحجام عينات كبيرة جدًا". على الرغم من أن توصيف 100000 شخص يمثل تحديًا كبيرًا ، "لا توجد مشكلة في زيادة أعداد كبيرة من الخميرة." اختار فريقه عددًا من السمات ، والحساسية للأدوية المختلفة ، والتي تتغير باستمرار في الخميرة بطريقة معقدة وراثيًا. ثم سألوا عما إذا كان بإمكانهم العثور على جميع الجينات المشاركة في اختلاف هذه السمات. قال كروغلياك: "إن طرح السؤال بهذه الطريقة يكاد يؤكد لنا الفشل ، لكننا نرغب في الوصول إلى أبعد ما نستطيع".

كما هو الحال في تجارب بون ، يؤدي عبور سلالتين مختلفتين إلى تباين واسع ، في هذه الحالة في حساسية الدواء. بدلاً من النمط الظاهري للنسل الفردي ، قرر الباحثون الاستفادة من الأعداد الكبيرة والنمط الظاهري للسكان و [مدش] ولكن فقط القيم المتطرفة. وقال كروجلياك: "معظم المعلومات الجينية موجودة في الأفراد المتطرفين ظاهريًا".

ومع ذلك ، فإن المجموعة الناتجة ، التي تحتوي على آلاف أو عشرات الآلاف من السلالات المميزة وراثيًا ، لا تزال كبيرة جدًا بحيث لا يمكن تكوينها وراثيًا بشكل فردي. لذا ، "بدلاً من التنميط الجيني لهم واحدًا تلو الآخر ، نقيس فقط ترددات الأليلين الوالدين عبر الجينوم." بالنسبة للأليلات التي تدفع السمة نحو قيمة قصوى ، يجب أن ينحرف التردد المتوقع عن نسبة 50/50 لجميع السكان.

قال كروغلياك: "الحيلة هي القيام بذلك من الناحية الكمية بشكل كافٍ". ولكن بحذر ، "يمكننا اكتشاف المواقع حتى عندما يكون لها تأثيرات نمطية صغيرة جدًا." إحدى الحيل المهمة لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء هي استخدام المصفوفات الدقيقة المخصصة مع مجسات للأليل من كل سلالة ، بدلاً من مجرد استنتاج الأليل من وجود أو عدم وجود إشارة.

سبق أن درس كروجلياك الحساسية تجاه 4-نيتروكوينولين 1-أوكسيد ، أو 4NQO ، وربط الحساسية لهذا العامل المدمر للحمض النووي بجين معين يسمى RAD5 الذي يعمل في إصلاح تلف الحمض النووي. يتذكر قائلاً: "لقد أوضحت بعض الاختلافات ولكنها لم تفسر كل ذلك".

من التهجين ، اختار فريقه تلك الفواصل ذات المقاومة الشديدة لـ 4NQO ، وصنف هذه المجموعة السكانية الفرعية كميًا. "بالإضافة إلى RAD5، والذي ظهر كأوضح وأقوى اختيار لدينا كما ينبغي ، هناك حوالي عشرة مساهمات أو نحو ذلك من مواضع أخرى من السلالتين الأم "، قال كروجلياك.

قال كروغلياك إن هذا النهج المجمع يحدد المواقع المهمة ، لكنه ليس دقيقًا للغاية بشأن حجم تأثيرها أو ما إذا كانت تتفاعل وكيف تتفاعل. "يمكنك العودة إلى ذلك من خلال تكوين مجموعات من الفواصل الفردية ، وقياس أنماطها الظاهرية ، وفقط التنميط الجيني لها في المواضع التي عثرت فيها على الموقع. لذلك لا تحتاج إلى دفع التكلفة التجريبية أو الإحصائية للبحث في الكل الجينوم ".

أظهر هذا التحليل أن المواقع الأخرى لها تأثيرات أصغر بكثير من RAD5والتي فسرت حوالي 40٪ من التباين. تقل تأثيرات المواقع الأخرى جميعها عن 5٪ ، وهو ما لم يكن ذا دلالة إحصائية في مسح الارتباط التقليدي على مستوى الجينوم.

وقال كروجلياك إن الباحثين ذهبوا إلى اختبار الحساسية لـ "حوالي 20 مركبا كيميائيا آخر وطرق أخرى لجعل خلايا الخميرة غير سعيدة". "يمكن أن تبدو البنى الجينية مختلفة تمامًا." بالنسبة لبعض الإهانات ، يهيمن على الحساسية موضع واحد بنمط وراثي مندلي. في حالات أخرى ، هناك ما يصل إلى 20 موقعًا ذا دلالة إحصائية تساهم في التباين.

لا تقتصر هذه التقنية على التخصيب لمقاومة الأدوية. أحد الامتدادات القوية هو استخدام فرز الخلايا لعزل الأفراد ذوي الأنماط الظاهرية المتطرفة. يمكن بعد ذلك استخدام هذه التقنية لأي خاصية يوجد بها مراسل مناسب. يوضح Kruglyak الفرز بناءً على ناتج الميتوكوندريا ، ولكن يمكن تطبيقه لتتبع المواقع الجينية للعديد من أنواع التباين الظاهري.

مكبرات الصوت:
مايكل سنايدر، جامعة ستانفورد
جون ستاماتويانوبولوس، جامعة واشنطن

يسلط الضوء

  • الاختلاف التنظيمي بسبب الارتباط المتغير لعوامل النسخ يكمن وراء الكثير من الاختلافات الفردية وكذلك المرض.
  • يمكن لعوامل النسخ المتخصصة التي تنظم عددًا قليلاً فقط من الجينات أن تكون مهمة لتلك الجينات ، مثل المنظمات الرئيسية التي لها تأثيرات واسعة النطاق.
  • يحتاج تسلسل الجينوم المخصص إلى دقة أفضل ، لا سيما في تقييم عدد نسخ الجينات ، وغالبًا ما يكون تفسيره غير مؤكد.
  • يعطي رسم خرائط الانقسام بواسطة DNase I مؤشرات مباشرة على نطاق الجينوم للمواقع التي يمكن الوصول إليها من خلال الميزات التنظيمية للحمض النووي مثل تكوين الجسيمات النووية وربط عامل النسخ.
  • تعكس أنماط مواقع DNase I شديدة الحساسية في الخلايا المختلفة العلاقات التنموية للخلايا.
  • يكشف التسلسل العميق لمواقع الانقسام عن أنماط مميزة للانقسام ، بدقة أحادية النوكليوتيدات ، لعوامل النسخ المختلفة.

الاختلافات في ارتباط عامل النسخ

كخبير في تقنيات الجينوم ، مايكل سنايدر قررت التحقق من الخيارات المعقولة التكلفة بشكل متزايد لتحليل الجينوم الشخصي. قارن نتائج علم الجينوم الكامل و Illumina ، وكلاهما حدد أكثر من 3 ملايين تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة (SNPs). كان لكل منها مئات الآلاف من المكالمات التي لم تكن موجودة في المجموعة الأخرى ، وهو اختلاف نسبه سنايدر إلى البيانات المفقودة. "المشكلة رقم واحد في الحصول على تسلسل الجينوم الخاص بك هي أنها ليست عميقة بما يكفي في جميع المناطق."

وقال سنايدر إنه حتى تعدد الأشكال التي أبلغت عنها الشركتان اختلفت في كثير من الحالات حول الزيجوزية ، والتي "تحدث فرقًا كبيرًا. إنها ليست مشكلة كبيرة بالنسبة إلى 1000 جينوم بتغطية منخفضة". لكن "أنا لا أهتم بالمتوسط. أنا أهتم بي." بشكل عام ، قال ، لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه من حيث الدقة وتفسير بيانات الجينوم الشخصية. قال سنايدر إن الأساليب أقل موثوقية بالنسبة للمتغيرات الهيكلية ، مثل عمليات الإدراج والحذف والانعكاس.

في بحثهم الأساسي ، يستكشف سنايدر وفريقه الاختلاف بين الأنواع ذات الصلة وبين الأفراد. على وجه الخصوص ، فهم يتطلعون إلى معرفة مقدار التباين الذي ينشأ عن الاختلافات في ارتباط عامل النسخ.

في إحدى الدراسات ، قاموا بتعيين الارتباط على مستوى الجينوم ، باستخدام الترسيب المناعي للكروماتين والتسلسل (ChIP-seq) ، لعامل النسخ Ste12 في الخميرة. لقد استغلوا التباين الطبيعي بين 45 سلالة منفصلة من تهجين بين سلالتين معملتين وتتبعوا الارتباط ، وكذلك التعبير الجيني ، بعد تعريض الخميرة إلى فرمون.

أظهرت معظم المواقع (حوالي 70 ٪) الفصل المندلي الكلاسيكي ، حيث ربط Ste12 بخلفية وراثية واحدة وليس في الأخرى. لكن المواقع الأخرى أظهرت "تجاوزًا" من هذا التوقع ، على سبيل المثال الارتباط في بعض حالات الفصل عندما لا يفعل أي من الوالدين.

ثم بحث فريق سنايدر عن مواقع السمات الكمية (QTLs) التي تساهم في الارتباط في هذه المواقع شديدة التغير. من بين 195 موقعًا مع QTL فريد ، هناك 166 موقعًا رابطة الدول المستقلة (بالقرب من منطقة الربط) ، بينما 35 هي عبر (قلة كلاهما). "ترتبط معظم مواقع الربط المتغيرة بـ رابطة الدول المستقلة إلى QTLs ، "قال سنايدر.

سيكون أبسط تفسير هو أن الاختلافات في الربط تعكس التغييرات في تسلسل موقع الربط لـ Ste12. "اتضح أن هذا صحيح ، لكنه صحيح فقط في 36 من 166 رابطة الدول المستقلة- مناطق متغيرة "، قال سنايدر. بالنسبة للبقية ، يبدو أن هناك اختلافات في التسلسلات التي ترمز العوامل المساعدة التي تساعد Ste12 على الارتباط. وباستخدام اختبار لما أطلقوا عليه" Allele Binding Cooperativity ، "أو ABC ، ​​وجد الفريق ستة مواقع التجليد للعوامل التي يتناغم شكلها مع Ste12.

قال سنايدر: "لم يكن معروفًا في السابق أن أيًا من هذه العوامل يعمل مع Ste12" ، وهو منظم رئيسي يربط حوالي 1000 موقع عبر الجينوم. "هؤلاء الأشخاص يعملون فقط في مجموعة فرعية من المناطق ، لكن لديهم تأثير قوي حقًا" في الأماكن التي يرتبطون بها. قال سنايدر: "نعتقد أن هذا النوع من الارتباط التعاوني منتشر في جميع أنحاء الجينوم". ولكن نظرًا لأن التأثير يحدث فقط في مواقع قليلة ، فمن الصعب اكتشافه في مسح الجينوم الواسع ، على حد قوله. "هذا ما سيجعل من الصعب للغاية فك الشفرة التنظيمية."

في عمل ذي صلة على البشر ، رسم سنايدر وزملاؤه ارتباطًا بعاملين ، RNA polymerase II (Pol-II) و NF & kappaB. قارنوا بيانات ChIP-seq لخلايا من عشرة أفراد ، ووجدوا تباينًا في 7.5٪ من مواقع NF & kappaB و 25٪ لـ Pol-II. لاحظ سنايدر أن "هناك عددًا من مناطق الربط المتغيرة هناك" ، وفي المتوسط ​​يرتبط الارتباط بالتعبير الجيني.

حوالي 7 ٪ فقط من التباين في الربط يتوافق مع الانحرافات عن الفكرة الملزمة الإجماع. هناك أيضًا بعض المواقع التي يرتبط ارتباطها بمتغيرات رقم النسخ ، وكذلك مع الانقلابات (معًا حوالي 3 ٪). وقال سنايدر إن 31٪ أخرى من المواقع لديها SNP قريبة ، لكن بالنسبة لثلثي المواقع ، "ليس لدينا أي فكرة عما يحدث".

قال سنايدر باستخدام اختبار ABC الخاص بهم ، "وجدنا خمسة عوامل مختلفة يختلف شكلها وفقًا لربط NF & kappaB الخاص بهم" ، ولكن ليس في موقع الربط NF & kappaB. تشير النتائج إلى أنه ، كما هو الحال في الخميرة ، يتم التحكم في بعض المواقع ليس فقط من قبل المنظمين الرئيسيين ولكن أيضًا بواسطة عوامل محلية قوية أخرى. "هذه طريقة رائعة لمعرفة العوامل التي تعمل معًا."

رسم خرائط على مستوى الجينوم للبروتينات على الحمض النووي

"العثور على عوامل تنظيمية على الجينوم ، في حد ذاته ، لا يشير بالضرورة إلى ما يفعلونه ، ولكنه يعمل كمؤشر عام مفيد بشكل لا يصدق لمجموعة واسعة من فئات العناصر" ، قال. جون ستاماتويانوبولوس. ساعد في الترويج لرسم الخرائط على مستوى الجينوم لانقسام الحمض النووي عن طريق deoxyribonuclease I ، أو DNase I ، في مشاريع تشمل ENCODE و Roadmap Epigenomics Mapping Consortium. مواقع DNase-I شديدة الحساسية ، أو DHSs ، هي مناطق DNA يمكن الوصول إليها بشكل خاص للانقسام ، والتي غالبًا ما تعكس وجود تسلسلات تنظيمية مثل المروجين.

قال Stamatoyannopoulos إن مشروعي ENCODE و Roadmap Epigenomics قد رسمتا حتى الآن خرائط DHS ، مع ما يقرب من 150 من دقة زوج القاعدة ، في أكثر من 100 نوع من الخلايا والأنسجة والمراحل التنموية. "تجد ما بين 100000 و 275000 من مواقع DNase شديدة الحساسية لكل نوع خلية ، أو 0.5٪ & ndash1.5٪ من الجينوم" ، حتى مع معدل اكتشاف خاطئ صارم بنسبة 1٪. وقال: "الأرقام الحقيقية أعلى قليلاً".

وقال ستاماتويانوبولوس إنه عبر جميع أنواع الخلايا ، "اكتشفنا حوالي 2.2 مليون موقع مميز شديد الحساسية لـ DNase-I على الجينوم البشري". بالمقارنة مع الأدبيات ، فإن هذه المواقع تشمل حوالي 96٪ من جميع العناصر التنظيمية المعروفة غير المحفزة ، مثل المعززات ، كاتمات الصوت ، والعوازل.

يمكن للاختلافات بين الخلايا المختلفة في بنية الكروماتين والتفاعلات التنظيمية الأخرى تعديل الارتباط في هذه المواقع. قال ستاماتويانوبولوس "حوالي 340.000 نوع خلية محددة" ، بينما "يوجد حوالي 7500 في كل نوع خلية مفردة". تظهر بقية المواقع أنماط تعبير وسيطة غنية. وقال إن التحليل العنقودي لهذه الأنماط يكشف عن علاقة هرمية تعكس بدقة علاقات الخلايا المقابلة. "نحن نبحث في ترميز العمليات التنموية المبكرة والأنساب التطورية في أنماط الحمض النووي التنظيمي التي تستمر في البالغين."

تتمثل إحدى آليات تنظيم التعبير في الأنسجة المختلفة في التنظيم الواسع النطاق للكروماتين ، والذي يمكن أن يجمع المتواليات الموجودة على أجزاء بعيدة جدًا من جزيء الحمض النووي. لالتقاط هذه التفاعلات الجسدية في الجسم الحي، Stamatoyannopoulos ومعاونوه يستخدمون تقنية الربط المتبادل المعروفة باسم Chromosome Conformation Capture Carbon Copy ، أو 5C. قال ستاماتويانوبولوس: "نحصل على معلومات كمية جدًا جدًا عن هذه التفاعلات" ، بدقة تبلغ حوالي كيلو بايت.

على نطاق واسع للجينوم ، يكشف انقسام DNase-I عن المناطق التي يكون للإنزيم ، وعوامل النسخ المفترضة ، حرية الوصول إلى الحمض النووي. وقال ستاماتويانوبولوس إنه على نطاق أدق ، فإن بروتين عامل النسخ الذي يرتبط بالفعل يمنع وصول الدناز الأول "تاركًا وراءه صورة سلبية للبروتين". "من خلال التسلسل العميق لبيانات DNase-I ، يمكنك تحويل بيانات التعيين بشكل فعال إلى بيانات البصمة للكشف عن ارتباط عامل النسخ بدقة النوكليوتيدات."

قال ستاماتويانوبولوس إنه على نطاق عشرات القواعد ، "كل نوع من مواقع ربط عامل النسخ المختلفة له نمط انقسام DNase-I النمطي الخاص به ، نوع من بصمة الإصبع". وأضاف أن "أنماط الانقسام هذه تتطابق بشكل وثيق للغاية مع الأشكال الهيكلية التي تم تحديدها في علم البلورات" ، ويمكن أيضًا استخدامها لتحديد عوامل محددة في مسح الجينوم. وشدد على أن بصمات الأصابع هذه لا تعكس ببساطة معدلات القطع المعتمدة على التسلسل التي وصفها هارمن بوسيماكر.

يمكن استخدام عمق آثار الأقدام في نشاط DNase-I لتتبع مدى تكرار احتلال عامل النسخ للموقع. وجد Stamatoyannopoulos وزملاؤه أن هذا الإشغال يتغير تمامًا كما هو متوقع أثناء التغيرات في الظروف الخلوية ، على سبيل المثال أثناء التمايز. وقال "هذه البيانات نوعية وكمية من حيث مقاييس الإشغال".

طور الباحثون أيضًا تقنيات للكشف عن عوامل محددة في مواقع معينة. قاموا أولاً بتكرار التسلسل في البصمة ووضعوا علامات عليها لإنشاء مسبار خاص بتلك المنطقة. ثم استخدموا إحدى طريقتين لاكتشاف ارتباط عامل النسخ بالمسبار. يمكن الكشف عن العوامل التي توجد لها أجسام مضادة مناسبة باستخدام لطخة غربية. بالنسبة لعوامل أخرى ، استخدموا مطياف الكتلة المستهدفة للعثور على الببتيدات المميزة التي تكون نسبة حجمها إلى الشحن خاصة ببروتينات معينة. قال ستاماتويانوبولوس: "لم نعد بحاجة إلى الأجسام المضادة طالما يمكنك استنساخ عوامل النسخ". "باستخدام هذا النهج ، يمكنك إثبات أن البروتين يشارك بالفعل في تسلسل حافز معين ، حتى في سياق تنافسي مع البروتينات الأخرى."

مكبرات الصوت:
عيران سيغال، معهد وايزمان للعلوم
هارمن بوسيماكر، جامعة كولومبيا

يسلط الضوء

  • يتنبأ إطار العمل القائم على الميكانيكا الإحصائية باحتمالية أي تكوين للنيوكليوسومات وعوامل النسخ على الحمض النووي ، بناءً على الصلات المعتمدة على التسلسل.
  • يسمح نظام الخميرة التجريبي بمقارنة التأثير على التعبير عن تسلسل محفز مختلف بدقة أفضل من 10٪.
  • الكثير ، ولكن ليس كل ، من تنظيم النوكليوزومات في الجسم الحي يتم تحديده من خلال تفضيلات تسلسل الحمض النووي الخاصة بهم.
  • تسلسلات بولي أدينوزين ، والتي تكون شديدة الصلابة بحيث لا يمكن تحويلها بسهولة إلى نيوكليوسومات ، تعدل بشكل كبير التعبير الذي يتم التحكم فيه عن طريق ربط عوامل النسخ القريبة ، ويبدو أنه تم استخدامها لهذا الغرض أثناء تطور الخميرة.
  • يتجاهل وصف مصفوفة الوزن الشائع ، الذي يصف اعتماد تسلسل تقارب الارتباط بين البروتين والحمض النووي ، التبعيات المهمة المحتملة بين القواعد في مواقع مختلفة.
  • يختلف معدل الانقسام بواسطة DNase I بعدة أوامر من حيث الحجم مع تسلسل الحمض النووي المحلي ، ويعطي معلومات حول التقارب مع دقة النوكليوتيدات المفردة.
  • يتيح الجمع بين نماذج التقارب والتقاطعات الجينية للباحثين العثور على المناطق التي تؤثر على نشاط عوامل النسخ ، والتي تعد أقوى من تحديد الموضع للسمات الأخرى.

خصوصية تسلسل التنظيم النووي

إن فهم القواعد التي تحدد كيفية تنظيم النسخ ، على غرار فهمنا للشفرة الجينية ، سيكون مفيدًا للغاية في علم الأحياء ، كما يقول عيران سيغال. ولكن "على الرغم من سنوات الدراسة العديدة ، ما زلنا في الحقيقة لا نفهم الكثير من الأساسيات والعديد من الأسئلة الأساسية لا تزال مفتوحة." تتضمن بعض الأسئلة الأكثر تعقيدًا أدوار العناصر البعيدة مثل المعززات وبنية الكروماتين والتفاعلات التعاونية للأحداث التنظيمية المتعددة. يتطلب توضيح هذه القضايا المعقدة فهمًا كميًا لكيفية تأثر التعبير الجيني عندما يرتبط الحمض النووي القريب بعوامل النسخ أو يلتف حول بروتينات الهيستون لتشكيل الجسيمات النووية.

لاستكشاف هذه القضايا ، طور سيغال وزملاؤه إطار عمل للنمذجة للتنبؤ بالربط المعتمد على التسلسل ، ونظامًا تجريبيًا يمكنه التمييز الكمي حتى بين تأثيرات النسخ الصغيرة لتغييرات التسلسل. من خلال تغيير التسلسلات ومقارنة النتائج مع النماذج ، فإنها تكشف عن قواعد التنظيم المعتمد على التسلسل لعوامل النسخ والنيوكليوزومات.

يبدأ إطار عمل النمذجة بـ "منظر التقارب" ، الذي يصف كيفية اختلاف التقارب بين جزيء معين والحمض النووي على طول التسلسل. بالنسبة لعوامل النسخ ، يتم تحديد التقارب من خلال تسلسل قصير نسبيًا ، ويمكن استنتاجه من بيانات المصفوفة الدقيقة المرتبطة بالبروتين. تكشف التجارب المماثلة عن الارتباط الحساس للتسلسل للحمض النووي في النيوكليوسومات ، والذي يعكس مناطق أكبر من 147 قاعدة.

يتم قياس الصلات التجريبية في المختبر. قال سيغال: "نود أن نفهم كيف ، في مشهد التقارب هذا ، في وضع ديناميكي ، يمكنك الحصول على تكوينات مختلفة للجزيئات المرتبطة الفعلية". باستخدام نموذج الميكانيكا الإحصائية ، "في ظل افتراض التوازن الديناميكي الحراري ، يمكننا حساب احتمال أن يكون النظام في أي من هذه التكوينات بالضبط." تتطابق المواضع المتوقعة للنيوكليوسومات بشكل جيد مع في الجسم الحي تجارب في الخميرة. "الكثير ، ولكن بالتأكيد ليس كل ، تنظيم الجسيمات النووية في الجسم الحي تمليها تفضيلات التسلسل النووي ، واختتم سيغال: "نحن نفهم إلى حد كبير القواعد التي تحكم تفضيلات تسلسل النواة."

إحدى النتائج البيولوجية لمثل هذه التفضيلات الملزمة هي تأثيرها على التعبير عن الجينات القريبة.طور سيغال وفريقه نظامًا تجريبيًا في الخميرة يسمح بالتقييم الكمي لتغيرات التعبير التي تنتج عن تغييرات التسلسل في مناطق المروج. قال سيغال ، لأن السياق الجينومي هو نفسه دائمًا ، "يتحكم النظام في العديد من الأشياء المختلفة". "يمكننا التمييز بين اختلافات التعبير التي تكون صغيرة مثل 5 أو 10٪."

استخدم الباحثون هذا النظام التجريبي لتوضيح كيفية تأثير تغييرات التسلسل على التعبير ، عن طريق التبديل في كل من المحفزات الطبيعية والاصطناعية وإجراء تغييرات منهجية في العناصر التنظيمية. ناقش سيغال بالتفصيل دور متواليات بولي أدينوزين (بولي أ أو بولي (dA: dT)) ، والتي تتوفر بكثرة في جينومات حقيقية النواة ، خاصة في مناطق المحفز. وقال: "إنها تطرد النيوكليوسومات بسبب صلابتها وعدم قدرتها على التوافق مع الانحناء الحاد للحمض النووي الذي تتطلبه البنية النووية". تم عرض حذف مثل هذه التسلسلات بالقرب من موقع الربط لعامل النسخ GCN4 في الخميرة منذ خمسة عشر عامًا لتقليل التعبير عن الجين الذي ينظمه.

إن قرب وموضع تسلسل متعدد الأدينوزين القريب في الحمض النووي له تأثير قوي على ارتباط عامل النسخ والتعبير الجيني الناتج.

قال سيغال: "أردنا فحص هذه الأسئلة بطريقة أكثر منهجية وشمولية". بدون تغيير موقع ربط GCN4 ، قام الباحثون بتعديل التعبير من خلال تغييرات مختلفة على متواليات poly-A القريبة ، والتي غيرت احتمالية تكوين جسيم نووي قريب ، وبالتالي منع وصول عامل النسخ إلى موقع الربط. وخلص سيغال إلى أنه "من خلال إجراء تغييرات فقط على متواليات poly-A. يمكننا الحصول على تأثيرات دراماتيكية على مستويات التعبير الجيني".

تكون تغييرات التعبير الناتجة كبيرة مثل تلك الناتجة عن تغييرات التسلسل في موقع الربط ، وقد توفر طريقة لضبط التعبير. لمعرفة ما إذا كان التطور قد استغل هذه الآلية ، قامت مجموعة سيغال بمقارنة المروجين لمكونات ريبوزومية مختلفة ، والتي يجب إنتاجها بكميات مماثلة. ووجدوا أنه بالنسبة للجينات التي تحتوي على نسخة واحدة فقط ، فمن المرجح أن يكون لدى المروجين المرتبطين بها تسلسلات بولي-أ قريبة تجعلها معبرة بشكل كبير ، مقارنة بالجينات التي لها نسخ متعددة. يشير هذا إلى أن التحكم الدقيق في النسخ الذي توفره منظمة nucleosome قد تم استغلاله حقًا أثناء التطور للتعويض عن اختلافات رقم النسخ.

نمذجة تفاعلات DNA و ndashprotein

هارمن بوسيماكر يستخدم وزملاؤه مصفوفة تقارب خاصة بالموضع ذات دوافع فيزيائية حيوية لالتقاط خصوصية التسلسل. ثم يستخدمون تقارب الربط المحسوب لـ رابطة الدول المستقلة- المناطق التنظيمية لتقدير النشاط التنظيمي لكل عامل نسخ في حالة خلية معينة.

قال بوسميكر إن النشاط التنظيمي لعوامل النسخ ، وهو "مقدار النشاط النسخي الذي تحصل عليه عندما يزداد تقارب المروج" ، يمكن اعتباره سمة. قام الباحثون بتعيين التأثيرات الجينية على هذا النشاط على مواقع السمات الكمية ، أو "aQTLs" من فصل الخميرة. قال بوسيماكر: "لا يمكننا تحديد كيفية تحديد مستويات الرنا المرسال من خلال تسلسل غير مشفر فحسب ، بل ننتقل إلى مستوى أعلى ونفهم كيف يتم تحديد أنشطة عوامل النسخ نفسها".

يتيح الجمع بين الارتباطات المحسوبة لربط المروج مع بيانات التعبير للباحثين استنتاج أي مواقع (aQTLs) تؤثر على النشاط التنظيمي.

قال بوسيماكر: "هناك قوة إحصائية جيدة جدًا لهذا". الاتجاهات في النشاط أقل ضوضاء من مستويات النشاط الفردي المستخدمة في التعبير QTLs. بالإضافة إلى ذلك ، يقتصر عدد الاختبارات على حوالي 100 عامل نسخ ، بدلاً من آلاف مستويات التعبير الجيني.

قال Bussemaker إن الـ aQTLs عادة ما تغطي 10 أو 20 جينًا. "هذا الاختلاف الجيني يؤثر سببيًا على التعبير ، من خلال عوامل النسخ ، لكن بشكل عام لا نعرف الآلية." في المقابل ، تعطي تفاعلات البروتين و ndashprotein معلومات جزيئية ميكانيكية ولكنها قد لا تكون ذات صلة في حالة خلية معينة. يمكن أن يؤدي الجمع بين الاثنين إلى تضييق المجال وصولاً إلى جين واحد معين.

في مشروع آخر تعاون Bussemaker معه جون ستاماتويانوبولوس لاستكشاف خصوصية التسلسل للانقسام بواسطة DNase I. يوضح تسلسل الأجزاء الناتجة أن معدل القطع يختلف بمقدار اثنين أو ثلاثة مرات من حيث الحجم ، "أكثر بكثير مما كنت تتوقعه بناءً على الأدبيات" ، كما قال بوسميكر. نظرًا لأنه يمكن تحديد موضع الإنزيم ضمن زوج أساسي واحد ، فإن هذه الدراسة توفر "حالة مثالية للنمذجة".

حدد الباحثون معدل القطع لجميع التسلسلات السداسية المحتملة التي تمتد على طول القطع. يستنتج Bussemaker أن نموذج مصفوفة الوزن والوزن يتنبأ بمعدل القطع بشكل أضعف بكثير من التسلسل السداسي الكامل ، "لذلك يجب أن يكون هناك تبعيات كبيرة بين مواضع النيوكليوتيدات". يتيح استخدام مجموعة البيانات الكاملة للباحثين تحديد قوة هذه التبعيات بشكل منهجي.

يعتبر وصف مصفوفة الموضع والوزن لتقارب الربط كل قاعدة داخل عزر بشكل مستقل ، لكن Bussemaker يحذر من أن هذا الحساب مفرط في التبسيط. وقال "من المهم أن تكون كميًا وأن تتجاوز افتراض الاستقلال لمصفوفات الوزن هذه حتى تتمكن من التمييز بين هذه العوامل".

درس Bussemaker وزملاؤه أيضًا خصوصية تسلسل بروتينات Hox. تجريبي في المختبر "لا يمكن لخصائص المونومر أن تفسر حقًا التباين في الخصوصية المستهدفة لبروتينات Hox في الجسم الحي، قال. اقترح زملاؤه في كولومبيا باري هونيغ وريتشارد مان أن الخصوصية في الجسم الحي ينشأ عندما يتفاعل الأخدود الصغير للحمض النووي مع تقاطع طرق بين بروتين Hox وعامل مساعد يسمى extradenticle (Exd).

بالتعاون مع مجموعة مان ، ابتكر باحثا ما بعد الدكتوراة مات سلاتري وتود رايلي امتدادًا لـ SELEX (التطور المنهجي للروابط بواسطة التخصيب الأسي) ، والذي يستغل اختيار المختبر لربط الحمض النووي عالي التقارب. من خلال التوقف قبل أن يصبح التخصيب مشبعًا ثم تسلسل السكان المخصب ، كما قال بوسميكر ، "يحصل الباحثون على معلومات كمية حول المعدل الذي يتم فيه اختيار تسلسلات الحمض النووي المختلفة ، وهذا مصدر جيد لنماذج خصوصية التسلسل."

قارن الفريق ارتباط الحمض النووي لاثنين من بروتينات Hox ، Ubx و Scr ، في وجود Exd. تم تغيير قوة الربط بشدة بواسطة القاعدتين المركزيتين في شكل الربط. "آمل أن يسمح ذلك في النهاية للناس بالفهم في الجسم الحي لماذا يمكن أن يكون لهؤلاء Hoxes مثل هذه الأهداف المختلفة ، "قال Bussemaker.

المنسقون العامون:
غوستافو ستولوفيتسكي، آي بي إم
روبرت بريل، آي بي إم
راكيل نوريل، آي بي إم

المتحدثون التحدي:
هانز يورجن ثيسين، جامعة روستوك
روب باترو، جامعة ماري لاند
نيكولا بارباريني، جامعة بافيا
مات ويراوخ، جامعة تورنتو
ماتي أنالا، جامعة تامبيري للتكنولوجيا
يارون أورنشتاين، جامعة تل أبيب
ألبرتو دي لا فوينتي، CRS4
ماتيو فينيس، INRA- تولوز
بو رو لو، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
دانيال مارباخ، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
V & acircn Anh Huynh-Thu، جامعة Li & egravege
روبرت ك وأوملفنر، جامعة لودفيج ماكسيميليان

يسلط الضوء

  • يتيح برنامج DREAM ، وهو حوار التقييمات والطرق الهندسية العكسية ، للباحثين التعاون عن طريق المنافسة لحل المشكلات البيولوجية أو المستوحاة بيولوجيًا بإجابات معروفة ولكنها محجوبة.
  • تضمنت التحديات هذا العام اثنتين من التحديات التي تجمع بين البيانات المحاكاة من شبكة معروفة مع البيانات البيولوجية المقاسة.
  • عادةً ما يتفوق الجمع الصحيح للتنبؤات من جميع الفرق حتى على أفضل فريق ، بسبب نقاط القوة والضعف التكميلية في التقنيات المختلفة.

مقدمة

يتمثل الهدف المستمر لمؤتمر DREAM (الحوار من أجل تقييمات وطرق الهندسة العكسية) في التحديد الموضوعي قدر الإمكان إلى أي مدى يمكن للباحثين استنتاج الواقع البيولوجي والتنبؤ به. المسابقات المعماة المعروفة باسم تحديات الحلم هي وسيلة لهذا التقييم. قبل كل اجتماع بوقت طويل ، عمل المنظمون غوستافو ستولوفيتسكي وروبرت بريل وجوليو سايز رودريغيز مع باحثين آخرين لتجميع أربع مجموعات من البيانات غير المنشورة أو المقنعة.

تتغير المهام من سنة إلى أخرى ، ويتم اختيارها لتسليط الضوء على القضايا البيولوجية المهمة والمشكلات الحسابية الصعبة ، ولكن نأمل حلها. تتمثل إحدى المشكلات المتكررة في اختيار المشكلات في التعارض بين المواصفات الرياضية المثالية والدقة البيولوجية. كجزء من الجهود المستمرة لاختبار الأهمية البيولوجية للمهام ، استخدم اثنان من تحديات هذا العام كلا من البيانات البيولوجية الحقيقية وبيانات المحاكاة في أجزاء مختلفة من التحدي.

تم توفير البيانات للعديد من فرق الباحثين ، الذين سعوا لاستخراج القواعد أو البنية غير المعلنة التي أدت إلى البيانات ، أو لعمل تنبؤات حول البيانات الإضافية التي تم حجبها. تم تجميع التوقعات من 73 فريقًا ، لم يتم الإعلان عن عضويتهم ، وتسجيلها ومقارنتها بواسطة بريل وراكيل نوريل وجوستافو ستولوفيتسكي ، وتم تنظيمها في موقع مشروع DREAM بدعم من Tom Garben و Aris Floratos في جامعة كولومبيا. في معظم الحالات ، كان الأداء المشترك لجميع التنبؤات أفضل من أي تنبؤ فردي ، وقد وصف بريل ونوريل ودانيال مارباخ الطرق التي قد يستفيد بها المجتمع من تلك الحكمة الجماعية.

تمت دعوة الفرق الفردية الأفضل أداءً لكل من التحديات الأربعة للتحدث بإيجاز في المؤتمر حول أساليبها. كما أخذ المنظمون علما بالفرق الأخرى لذكرها بشرف. فيما يلي ملخص للتحديات المختلفة والنتائج الإجمالية والأساليب التي اتبعها أصحاب الأداء الأفضل.

DREAM Challenge 1: التعرف على Epitope و ndashantibody

طلب التحدي الأول من المشاركين التنبؤ بما إذا كانت الببتيدات الفردية ستتفاعل بقوة ، أو لا تتفاعل على الإطلاق ، مع خليط من الأجسام المضادة متوفر تجارياً. قام Hans-Juergen Thiesen وزملاؤه بتجميع البيانات التجريبية لتحدي وصف مجموعات القواعد من أجل التعرف على epitope & ndashantibody (EAR).

يتم استخدام مزيج الأجسام المضادة المتنوع ، المسمى الغلوبولين المناعي الوريدي ، أو IVIG ، سريريًا وتم الحصول عليه من 10000 إلى 100000 شخص سليم. تطابق الببتيدات في الغالب تسلسلات من الجينوم البشري ، ولكن تم تعديل بعضها بشكل طفيف والبعض الآخر كان عشوائيًا. تم تصنيع هذه الببتيدات وتصنيفها بكثافة عالية على شرائح زجاجية للقراءة الكمية. تلقت الفرق قائمة بأكثر من 13000 تسلسل من الببتيد التي تفاعلت بقوة أو لم تتفاعل على الإطلاق مع IVIG ، وتم إعطاؤها عددًا مشابهًا من التسلسلات لتصنيفها. من حيث المبدأ ، كان التحدي يتمثل في إيجاد قواعد أو سمات مشتركة تحدد تفاعل الأجسام المضادة مع متواليات الببتيد ، والتي تمثل تفاعل الأجسام المضادة مع الحواتم الخطية. طلب التحدي الفرعي "جولة المكافأة" من الفرق توقع تسلسلات الببتيد المؤهلة لتكون ملزمة بقوة أو غير ملزمة على الإطلاق بـ IVIG.

كان أفضل لاعبين أداءً في التحدي الأول أفضل بكثير في التنبؤ من بقية الفرق. أفضل أداء كان فريق Pythia، التي شكلها روب باترو وكارل كينجسفورد من جامعة ماريلاند. استقروا على تنفيذ آلة دعم ناقل ، وجمعوا عددًا كبيرًا من الميزات المرشحة للتصنيف. قال باترو إن أفضل مصنف منفرد هو تكوين الأحماض الأمينية المحلية ، لذلك "لا ينبغي استبعاد الميزات البسيطة." كان الحساب الهيكلي لأفضل هندسة لرسو السفن باستخدام Zdock أسوأ أداء كمصنف واحد. لاحظ "هناك مجال كبير للتحسين".

فريق بافيا، يتألف من نيكولا بارباريني وأليساندرا تينغو وريكاردو بيلازي من جامعة بافيا ، وجاء في المرتبة الثانية. قاموا بتقييم عدد كبير من ميزات التسلسل ، بما في ذلك بعض الوكلاء للسمات الهيكلية ولكن بدون نمذجة هيكلية شاملة. استخدموا نهج الإغفال الواحد لتدريب خوارزميات مختلفة ، ووجدوا أن أفضل أداء جاء مع نموذج الانحدار الخطي ، واستغلوا 28 سمة. لا توجد قاعدة واحدة تهيمن على التصنيف.

يتم حاليًا التحقق من صحة الببتيدات المتوقعة في جولة المكافأة من قبل كلتا المجموعتين الأفضل أداءً تجريبيًا بواسطة مجموعة Hans-Juergen Thiesen.

DREAM Challenge 2: عامل النسخ والتعرف على عزر ndashDNA

يتعلق التحدي الثاني بالتنبؤ بزخارف ارتباط عامل النسخ في تسلسل الحمض النووي. مات ويراكح وتيم هيوز من جامعة تورنتو جمع البيانات من المصفوفات الدقيقة الملزمة للبروتين (PBMs).

لاحظ ويراوخ أن النموذج الحالي لتقييم التسلسلات هو مصفوفة وزن الموضع ، والتي تجمع ببساطة مساهمات من النيوكليوتيدات في كل موضع. وقال: "لقد أصبح من الواضح أن هناك مشاكل في هذا النهج". على وجه الخصوص ، لا يمكنه التعامل مع الفجوات متغيرة العرض بين أقسام الشكل ، وعوامل النسخ مع أوضاع ربط متعددة ، والاعتمادات بين المخلفات في مواضع مختلفة كما وصفها Harmen Bussemaker.

تلقى المشاركون بيانات خصوصية ملزمة لـ 20 عامل نسخ مختلف من صفيفتي PBM تحتويان على تسلسلات مسبار مختلفة. تم تصميم المجسات في كل مصفوفة بحيث تكون جميع التسلسلات العشرة الأساسية الممكنة موجودة مرة واحدة ، لذا فإن جميع سلاسل 8-mer الممكنة موجودة 32 مرة. ثم توقعت الفرق تقارب 66 عاملاً آخر ، 33 لكل نوع من المصفوفات. طلب التحدي الفرعي "جولة المكافأة" من الفرق تسمية عوامل النسخ المجهول الهوية.

كان أفضل أداء في كل من التحدي الرئيسي وجولة المكافآت فريق csb_tut، ويتألف من ماتي أنالا من جامعة تامبيري للتكنولوجيا ، وكيرستي لوريلا ، وماتي نيكتر ، وهاري إل وأوملديسم وأوملكي. استخدموا نموذج التقارب الخطي الذي تم تضمينه كيتراوح طولها بين 4 و 8 ، ولكن تم تنظيم البيانات المقيدة بشكل مفرط من خلال الاحتفاظ فقط بالمعلومات الأكثر إفادة ك-مرز. لقد أجروا العديد من التصحيحات لبيانات PBM للقطع الأثرية وتشبع الإشارة ، ووجدوا أنه من المهم تضمين تسلسلات الرابط المستخدمة لبناء المصفوفات في تحليلهم. لتحديد أسماء عوامل النسخ ، قاموا بتقييم تشابه التسلسلات مع الزخارف في قاعدتي بيانات TRANSFAC و JASPAR.

كانت مشاركة أفضل أداء في جولة المكافآت فريق ACGTويارون أورنشتاين وحاييم لينهارت ورون شامير من جامعة تل أبيب. استخدموا مختبراتهم أماديوس مكتشف الحافز ، والذي تم تصميمه للعثور على التسلسلات في مناطق المحفز. أوضح أورينستين أن الطريقة الأكثر وضوحًا لتطبيق هذه الأداة هي ببساطة منحها المجسات ذات أعلى درجة ارتباط "فشلت فشلاً ذريعًا" في مجموعة التدريب. ما نجح هو ترتيب الجميع ك-mers بناءً على ربط المسبار ، وإعطاء تلك المعلومات الأكثر إفادة ك-مرس أماديوس. على وجه الخصوص ، قاموا بحساب متوسط ​​قوى الربط لجميع المجسات التي تحتوي على كل 9 مير وأعطوا 1000 الأعلى مرتبة كمتتابعات إدخال إلى Amadeus للعثور على مصفوفة وزن موضع عزر بعرض 8.

DREAM Challenge 3: أنظمة الوراثة

يتعلق التحدي الثالث ببيانات من فصل السكان ، وهو مجال يُعرف بعلم وراثة الأنظمة أو علم الجينوم الجيني. تتضمن البيانات كلاً من بيانات المحاكاة والبيانات المقاسة من النباتات ، وقد تم تجميعها بواسطة Alberto de la Fuente وزملاؤه.

تمت مناقشة البيانات الوراثية والنمط الظاهري المجمعة من الفصل الناتج عن التهجين بين السلالات الفطرية في العديد من المحادثات الرئيسية في هذا المؤتمر ، بما في ذلك تلك التي أدلى بها تشارلي بون وليونيد كروغليك ومايكل سنايدر وهارمن بوسيماكر. كما توضح تلك المحادثات ، فإن التباين الوراثي الطبيعي ولكن المقيد للغاية بين أنواع الفصل ينتج معلومات قوية حول العوامل الوراثية المساهمة في النمط الظاهري. يجب أن يوفر تحدي علم الوراثة للأنظمة DREAM نظرة ثاقبة مستمرة لتقييم هذا النوع من البيانات.

استخدم الجزء "أ" من التحدي بيانات محاكاة الأنظمة الجينية. أنشأ الباحثون لأول مرة شبكات من 1000 جين مع طوبولوجيا معيارية خالية من المقاييس باستخدام SysGenSIM ، وهي أداة تم تطويرها بواسطة مختبرات de la Fuente و Ina Hoeschele. قاموا بنمذجة التفاعل بين الجينات باستخدام المعادلات التفاضلية غير الخطية. تصف معلمات هذا النموذج معدل النسخ الأساسي (رابطة الدول المستقلة) أو تأثيره على الجين المستهدف (عبر) من قيمتين ، تمثل الأليلات الأصل ، وتم حساب التعبير الجيني للحالة المستقرة.

تم إعطاء المشاركين كلا من مستويات التعبير والأليل الأبوي المقابل لجميع الجينات الألف ، لمحاكاة التهجين بين الوالدين. كان عدد السكان في التحديات الفرعية A1 و A2 و A3 يبلغ 100 و 300 و 999 ذرية. ثم أبلغت الفرق عن الحواف على رسم بياني موجه ، من أجل الثقة. علق بريل: "هذه الشبكات أكبر بكثير مما كانت عليه في DREAM من قبل ، لذلك طلبنا أول 100000 حافة فقط."

أفضل أداء في الجزء أ كان فريق SaAB_meta و صعب دانتزيغ، ماتيو فينيس ، جيه فاندل ، ن. رمضان ، د. ألوش ، س. سيركو ، إس. دي جيفري ، بريجيت مانجين ، وتوماس سكيكس من INRA-MIA في تولوز. قاموا أولاً بإجراء اختبار انحدار للتمييز رابطة الدول المستقلة- و عبر- فعل الأليلات. لمزيد من التحليل ، قاموا بتشغيل ثلاث خوارزميات مختلفة: شبكة Bayesian ، وانحدار Lasso ، و Danzig Selector. ثم قاموا بدمج التقنيات الثلاث في خوارزمية Meta التي أعطت أفضل النتائج أداءً.

استخدم الجزء ب البيانات من نباتات فول الصويا ، التي تم إنتاجها في معهد فيرجينيا للمعلومات الحيوية ، لمعرفة ما إذا كان بإمكان المشاركين التنبؤ بنمطين ظاهريين يقيسان مدى تعرضهم للعفن. جاءت النباتات من تهجين بين سلف مقاوم للممرض وآخر حساس. تم توفير الأنماط الجينية لـ 941 جينًا والتعبير الجيني قبل التعرض لـ 28397 جينًا لـ 200 نبات مختلف. طُلب من الفرق التنبؤ بالنمط الظاهري لـ 30 نسلًا آخر ، باستخدام النمط الجيني فقط (B1) ، فقط التعبير الجيني قبل التعرض (B2) ، أو كليهما (B3).

وقال دي لا فوينتي إن النتائج بشكل عام "لم تكن جيدة جدًا" ، خاصة فيما يتعلق بالنمط الجيني وحده ، لذلك ربما تحتاج المهمة إلى أن تكون أبسط. علق بريل أنه ، خاصة بالنسبة للتحدي B1 ، "جميع الفرق مرتبطة ببعضها البعض ، ولا يرتبط أي منها بالمعيار الذهبي" (البيانات المقاسة). ومع ذلك ، قدم اثنان من الممثلين تنبؤات ذات دلالة إحصائية عن النمط الظاهري.

أفضل أداء للجزء B2 كان فريق Orangeballsو Po-Ru Loh و George Tucker و Michael Yu و Bonnie Berger من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. مع بيانات التعبير للعديد من الجينات ، يكمن التحدي في معرفة "أي من هؤلاء الـ 20000 سيكون هو الذي يخبرك بالفعل عن النمط الظاهري" ، كما قال لو. يزداد التحدي سوءًا بسبب إمكانية وجود ارتباطات بين المتنبئين ، سواء من الأنماط الجينية أو الأنماط الظاهرية. سيطرت القيم المتطرفة على التباين ، والتي أزال الفريق التركيز عليها باستخدام تحويل ترتيب الرتب.لحساب التفاعلات غير الخطية المحتملة بين المتنبئين ، قاموا بتضمين مجموعات منطقية من الأنماط الجينية. في النهاية ، حققت مجموعة من المتنبئين المختارين جيدًا معظم الأداء.

الأفضل أداءً في الجزء B3 ، فريق RNI_group، الذي يتألف من Madhuchhanda Bhattacharjee من جامعة Pune و Mikko Silanp & auml & auml من جامعة هلسنكي ، لم يتمكنوا من تقديم أساليبهم.

التحدي الرابع: استدلال الشبكة

قام التحدي الرابع بتقييم الهدف البيولوجي المشترك المتمثل في استنتاج أربع شبكات تنظيمية نسخية من بيانات التعبير بعد الاضطرابات. تم تجميع البيانات بواسطة دانيال مارباخ ، وجيم كوستيلو ، وديوغو كاماتشو ، وجيم كولينز.

يعتمد هذا التحدي على الخبرة المكتسبة من السنوات السابقة مع "في السيليكو"الشبكات ، حيث تكون الشبكة التي أنتجت البيانات معروفة بدقة. بالنسبة إلى DREAM5 ، الشبكة المحاكاة ، المستوحاة من الإشريكية القولونية، قدمت واحدة فقط من مجموعات البيانات الأربع. استندت مجموعة البيانات الثانية إلى التعبير عن المكورات العنقودية الذهبية، حيث لا يوجد حتى الآن أي شبكة مرجعية يمكن اعتبارها معيارًا ذهبيًا. قال مارباخ: "نأمل أن يكون علماء الأحياء أكثر حماسًا إذا بدأنا التركيز ليس فقط على القياس ولكن على هذا التنبؤ المستند إلى المجتمع". تم قياس مجموعتي البيانات الثالثة والرابعة في بكتريا قولونية والخميرة في مهدها خميرة الخميرة، حيث تكون الشبكات الأساسية راسخة تمامًا.

تم إعطاء المشاركين قائمة بالجينات وكمية كبيرة من بيانات تعبير المصفوفة الدقيقة ، مجهولة المصدر من البيانات الأصلية. كما تم إعطاؤهم معلومات تكميلية مثل شروط التجارب ، وكذلك بعض عوامل النسخ المرشحة.

تم الحكم على التوقعات من حيث الأداء المتسق عبر الشبكات ، لكن "أرى تنوعًا كبيرًا في أداء الفرق المختلفة" على الشبكات المختلفة ، علق بريل. على وجه الخصوص ، كانت تنبؤات الخميرة "رهيبة". ال بكتريا المكورة العنقودية البرتقالية لم يتم تسجيل الشبكة ، نظرًا لعدم وجود معيار ذهبي ، ولكن سيتم استخدامها كأساس لتوقع المجتمع. كان أفضل اثنين من أصحاب الأداء العام كلاهما قائدين عائدين من DREAM4.

أفضل أداء بشكل عام و في السيليكو كنت فريق ulg_biomod، ويتألف من V & acircn Anh Huynh-Thu و Alexandre Irrthum و Louis Wehenkel و Pierre Geurts من جامعة Li & egravege و Yvan Saeys من جامعة Ghent. استخدموا نموذجًا قائمًا على شجرة القرار ، يعتمد فقط على بيانات التعبير. لاحظ Huynh-Thu أن التنبؤات تتحسن بشكل كبير عندما تكون عوامل النسخ معروفة. بالإضافة إلى ذلك ، على الرغم من أن الفريق قام بعمل أفضل بكثير من الآخرين في في السيليكو البيانات ، وأدائهم في في الجسم الحي كانت البيانات "تنافسية فقط".

أفضل أداء في الجسم الحي، والمركز الثاني بشكل عام ، كان فريق أماليا، بما في ذلك روبرت كاي وأوملفنر ، وفلوريان إرهارد ، وتوبياس بيتري ، ولوكاس ويندهاغر ، ورالف زيمر من جامعة لودفيج ماكسيميليان. لتصنيف التفاعلات المرشحة بين عوامل النسخ والجينات المستهدفة المحتملة ، استخدم الفريق اختبار ANOVA. هذا لا يتطلب الخطية ، كما هو مفترض في معامل الارتباط ، ولا التقديرية للبيانات ، وهو أمر ضروري لشبكة Bayesian أو تقنيات المعلومات المتبادلة. عملت هذه التقنية بشكل جيد بكتريا قولونية. لكن بالنسبة لشبكة الخميرة ، حيث كان أداء جميع الفرق ضعيفًا وغير المصنف بكتريا المكورة العنقودية البرتقالية الشبكة ، كان عدد تجارب الاضطراب في مجموعة البيانات صغيرًا جدًا بحيث لا يمكن توقع نتائج موثوقة ، كما قال K & Uumlffner. ومع ذلك ، فقد اعتبر إدراج في الجسم الحي البيانات لتكون "خطوة كبيرة إلى الأمام" بالنسبة لـ DREAM.


أين تبحث؟

الأنماط المكتشفة بين المناطق التنظيمية لمجموعة جينات متضافرة ستكون نموذجية PWMs ، مثل تلك المشتقة من TFBSs المعروفة. ومع ذلك ، فإن المصيد هو أن فحص PWM لمواقع الربط الحقيقية قد علمنا ألا نتوقع أنماطًا محددة جيدًا ذات محتوى معلومات مرتفع. من ناحية أخرى ، يمكن استخلاص الأنماط على أنها سيئة التعريف مثل الأنماط الحقيقية بسهولة من أي مجموعة من مناطق المنبع إذا كانت المنطقة المختارة فقط كبيرة بما يكفي. يوضح هذا وجود قيود متأصلة في القدرة على تحديد الأنماط من الجينات المنظمة المشتركة. ومع ذلك ، كان هناك نجاح كبير في الخميرة من جديد تحديد الزخارف [84]. تحديد النمط بتنسيق ذبابة الفاكهة استفاد بشكل كبير من التسلسلات العديدة المتاحة الآن بالاقتران مع مناطق مُحسِنة محددة جيدًا تتكون من عناصر تنظيمية واضحة المعالم. ومع ذلك ، يبدو أن تحديد التسلسل التنظيمي للفقاريات أصعب بكثير. تنبع الصعوبات من نقص المعرفة حول كيفية تضييق نطاق مناطق التسلسل للبحث عن الأنماط ، وربما من الطبيعة غير المكتملة لـ CRMs الفقارية.

هناك عدة طرق لتضييق نطاق مناطق التسلسل للبحث عن الأنماط التنظيمية. أولاً ، أدى التحديد المنهجي لـ cDNAs الكاملة جنبًا إلى جنب مع التقنيات الجديدة مثل علامات التعبير الجيني لتحليل الغطاء (CAGE) إلى تحديد دقيق للغاية لمواقع بدء النسخ البشرية والفأرية [85]. لذلك ، فإن التركيز على تسلسل المروج هو أقل تخمين اليوم مما كان عليه قبل بضع سنوات. ومع ذلك ، فإن أحد الأسعار التي يجب دفعها هو التعقيد المتزايد لتعريف المحفز الناتج عن الفكرة القائلة بأن المحفزات البديلة للجين هي القاعدة أكثر من الاستثناء. لذلك يبدو من المناسب دراسة العديد من المحفزات لكل جين. تم تعريف مفهوم المُحسِّن بيولوجيًا ، ولكن مع توفر المزيد والمزيد من التسلسلات الجينومية الكاملة ، تميل المعززات إلى التعرف على المناطق غير المشفرة المحفوظة بشكل كبير. يساهم رسم الخرائط المنهجية لمواقع DNase I شديدة الحساسية أيضًا في تحديد مناطق المحسن. ومع ذلك ، مع تحديد مواقع بدء النسخ البعيدة عن بداية الترجمة ، أصبح من الصعب بشكل متزايد التمييز بوضوح بين المُحسِّن والمُروِّج.


الجينوميات الوظيفية لبيولوجيا الأنظمة

يتم التحكم في التعبير الجيني عن طريق التفاعلات بين العوامل العابرة للتنظيم وتسلسل الحمض النووي المنظم لرابطة الدول المستقلة ، وتشكل هذه التفاعلات الروابط الوظيفية الأساسية لشبكات تنظيم الجينات (GRNs). يتطلب التحقق من صحة نماذج GRN اختبارات تجريبية لتنظيم رابطة الدول المستقلة للروابط المتوقعة لمصادقة هوياتهم ووظائفهم المقترحة. ومع ذلك ، فإن التحليل التنظيمي لرابطة الدول المستقلة ، في الوقت الحالي ، في مأزق شديد في بيولوجيا النظام الجينومي بسبب المنهجيات التجريبية المتطلبة المستخدمة حاليًا لاكتشاف الوحدات التنظيمية لرابطة الدول المستقلة (CRMs) ، في الجينوم ، وقياس أنشطتها. نوضح هنا نهجًا عالي الإنتاجية لكل من الاكتشاف والتوصيف الكمي لـ CRMs. يتمثل الجانب الفريد في استخدام علامات تسلسل الحمض النووي لتركيبات تعبير CRM "للرمز الشريطي" ، والتي يمكن بعد ذلك خلطها وحقنها معًا في بيض قنفذ البحر ، ثم تفكيكها لاحقًا. أدت هذه الطريقة إلى زيادة معدل التحليل التنظيمي لرابطة الدول المستقلة بمقدار & gt 100 ضعف مقارنة بمقايسات المراسل التقليدية واحدًا تلو الآخر. تم إثبات فائدة مراسلي علامات الحمض النووي من خلال الاكتشاف السريع لـ 81 CRM نشطًا من 37 جينًا من جينات قنفذ البحر غير المكتشفة سابقًا. ثم حصلنا على توصيف زمني متزامن عالي الدقة للأنشطة التنظيمية لأكثر من 80 CRM. تم اكتشاف 2-3 CRMs في المتوسط ​​لكل جين. أظهرت مقارنة ملفات تعريف التعبير الجيني الداخلي مع تلك الخاصة بـ CRMs المستردة من كل جين أنه ، في معظم الحالات ، يكون CRM واحدًا على الأقل نشطًا في كل مرحلة من مراحل التعبير الداخلي ، مما يشير إلى أن استرداد CRM كان شاملاً. سيغير هذا النهج نوعياً ممارسة إنشاء GRN وكذلك التحقق من الصحة ، وسيؤثر على العديد من المجالات الإضافية لبيولوجيا النظام التنظيمي.

بيان تضارب المصالح

الكتاب تعلن أي تضارب في المصالح.

الأرقام

القياس الموازي لـ في الجسم الحي ...

القياس الموازي لـ في فيفو رابطة الدول المستقلة - الأنشطة التنظيمية للعديد من تسلسلات الحمض النووي من خلال ...

توزيع أعداد ...

توزيع أعداد CRMs المكتشفة لكل جين. يتم تصنيف الجينات ...

درجات الاكتفاء الزمني ( س…

درجات الاكتفاء الزمني ( س ر ) من CRMs. ال س ر القيمة…


تفسير الجينوم التنظيمي: جينوميات وظيفة عامل النسخ في ذبابة الفاكهة السوداء

تمكن الباحثون الآن من الوصول إلى جينوم Drosophila melanogaster المتسلسل بالكامل لأكثر من عقد من الزمان ، كما أن الجينومات المتسلسلة لـ 11 نوعًا إضافيًا من ذبابة الفاكهة متاحة منذ ما يقرب من 5 سنوات ، مع توفر المزيد من جينومات الأنواع كل عام [Adams MD ، Celniker SE ، هولت را وآخرون. تسلسل جينوم ذبابة الفاكهة السوداء. العلوم 2000287: 2185-95 Clark AG، Eisen MB، Smith DR، et al. تطور الجينات والجينومات على سلالة ذبابة الفاكهة. Nature 2007450: 203-18]. على الرغم من أن أفضل دراسة لعوامل النسخ D. melanogaster (TFs) قد تم استنساخها قبل تسلسل الجينوم ، فإن توافر بيانات التسلسل يعد بتحويل فهمنا لـ TFs والشبكات التنظيمية للجينات. سمحت الجينومات المتسلسلة للباحثين بتوليد أدوات للتوصيف عالي الإنتاجية لمستويات التعبير الجيني ، وتوطين TF على مستوى الجينوم وتحليل القيود التطورية على عناصر الحمض النووي عبر أنواع متعددة. مع وجود ما يقدر بنحو 700 بروتين مرتبط بالحمض النووي في جينوم ذبابة الفاكهة ، سوف تمر سنوات عديدة قبل أن تتم دراسة كل TF الخاص بالتسلسل المحتمل بالتفصيل ، ومع ذلك فقد أثر العقد الأخير من أبحاث الجينوميات الوظيفية بالفعل على رؤيتنا لشبكات تنظيم الجينات و TF DNA التعرف على.

الأرقام

المقارنة الزوجية لربط TF ...

تتداخل المقارنة الزوجية بين موقع ربط TF ، مع (يسار) أو بدون (يمين) TF ...


شاهد الفيديو: علم الجينوم Genomics وتحولات مؤثرة في حياتنا (كانون الثاني 2022).