يتم عرض طريقة مباشرة وقوية لتحديد الزخارف التنظيمية المحتملة في الجينات التي يتم تنظيمها بشكل مشترك. لا يتطلب SCOPE أي معاملات من المستخدم، ويعيد زخارف تمثل مرشحات ممتازة للإشارات التنظيمية. يساعد تحديد هذه الإشارات التنظيمية في فهم البيولوجيا الكامنة.
مقالة منهجية
تستخدم لتحديد نطاق الدوافع المحتملة في تنظيم الجينات Coregulated
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
يُعد SCOPE برنامجاً تجميعياً للبحث عن الزخارف (motif finder) يستخدم ثلاث خوارزميات مكونة بالتوازي لتحديد الزخارف التنظيمية المحتملة من خلال التمثيل الزائد وتفضيل موقع الزخرفة1. وقد تم تحسين كل خوارزمية مكونة للعثور على نوع مختلف من الزخارف. ومن خلال الاستفادة من أفضل هذه النهج الثلاثة، يتفوق SCOPE في الأداء على أي خوارزمية فردية، حتى في وجود بيانات مشوشة1. وفي هذا المقال، نستخدم نسخة الويب من SCOPE2 لفحص الجينات المشاركة في صيانة التيلومير. وقد دُمج SCOPE في برنامجين آخرين على الأقل للبحث عن الزخارف3,4 واستُخدم في دراسات أخرى5-8.
تتكون SCOPE من ثلاث خوارزميات هي BEAM9، التي تعثر على الزخارف غير المتدهورة (ACCGGT)، وPRISM10، التي تعثر على الزخارف المتدهورة (ASCGWT)، وSPACER11، التي تعثر على الزخارف ثنائية الجزء الأطول (ACCnnnnnnnnGGT). وقد تم تحسين هذه الخوارزميات الثلاث للعثور على النوع المقابل من الزخارف. وبذلك، تتيح هذه الخوارزميات مجتمعة لـ SCOPE أداءً متميزاً للغاية.
بمجرد تحليل مجموعة الجينات وتحديد الزخارف (motifs) المرشحة، يمكن لبرنامج SCOPE البحث عن جينات أخرى تحتوي على الزخرفة، والتي سيؤدي إضافتها إلى المجموعة الأصلية إلى تحسين درجة الزخرفة. يمكن أن يحدث ذلك من خلال التمثيل المفرط أو تفضيل موقع الزخرفة. ومن خلال العمل مع مجموعات جينات جزئية تحتوي على مواقع ارتباط لعوامل النسخ تم التحقق منها بيولوجياً، تمكن برنامج SCOPE من تحديد معظم الجينات المتبقية التي يتم تنظيمها أيضاً بواسطة عامل النسخ المحدد.
تُظهر المخرجات من SCOPE الزخارف المرشحة، ومدى أهميتها، ومعلومات أخرى، وذلك على شكل جدول وخريطة زخرفية بيانية. تتوفر الأسئلة الشائعة والدروس التعليمية المرئية على الموقع الإلكتروني لـ SCOPE، والذي يتضمن أيضاً زر "بحث عينة" (Sample Search) يتيح للمستخدم إجراء تجربة تشغيلية.
يتميز برنامج Scope بواجهة مستخدم سهلة للغاية تمكن المستخدمين المبتدئين من الوصول إلى كامل قوة الخوارزمية دون الحاجة إلى أن يصبحوا خبراء في المعلوماتية الحيوية الخاصة بالبحث عن الزخارف (motifs). يمكن لبرنامج SCOPE استقبال قائمة من الجينات أو تسلسلات FASTA كمدخلات، حيث يمكن إدخالها في حقول نصية في المتصفح أو قراءتها من ملف. تحتوي مخرجات SCOPE على قائمة بجميع الزخارف المحددة مع درجاتها، وعدد مرات ظهورها، ونسبة الجينات التي تحتوي على الزخرفة، والخوارزمية المستخدمة لتحديدها. وبالنسبة لكل زخرفة، تشمل تفاصيل النتائج تمثيلاً توافقياً للزخرفة، وشعار التسلسل (sequence logo)، ومصفوفة أوزان المواقع (position weight matrix)، وقائمة بجميع حالات ظهور الزخرفة (مع تحديد المواقع الدقيقة و"الشريط"). يتم إرجاع النتائج في نافذة المتصفح وأيضاً عبر البريد الإلكتروني اختيارياً. وتصف أوراق بحثية سابقة خوارزميات SCOPE بالتفصيل1,2,9-11.
البروتوكول
1. قم بإعداد قائمة بأسماء الجينات التي تعتقد أنها ذات تنظيم مشترك لتحليلها بواسطة SCOPE.
احفظ القائمة كملف نصي أو انسخها إلى الحافظة للصقها في SCOPE في الخطوة 3. يجب أن يحتوي الملف على اسم جين واحد في كل سطر دون أي معلومات إضافية. بدلاً من ذلك، يمكنك إعداد القائمة كملف FASTA يحتوي على التسلسلات الفعلية المراد تحليلها.
2. قم بتشغيل متصفح الويب الخاص بك والاتصال بالعنوان التالي: http://genie.dartmouth.edu/SCOPE/
3. أدخل المعلومات التي يحتاجها برنامج SCOPE لإجراء التحليل.
تظهر صفحة SCOPE الأولية في الشكل 1. يتم تناول أقسام مختلفة في هذه الخطوة.
- استخدم القائمة المنبثقة 'Species' لاختيار النوع الذي ستفحصه. من المهم اختيار النوع الصحيح لأن أداة SCOPE ترجع إلى الجينوم لحساب ترددات الحدوث الخلفية لأي موتيف مرشح تقوم بفحصه.
- استخدم أزرار الاختيار 'upstream sequence' لاختيار إما 'intergenic' (بين الجينات) أو 'fixed length' (طول ثابت). سيقوم خيار 'intergenic' بتحليل جميع التسلسلات الموجودة بين الجين الذي تفحصه والجين السابق (العلوي)، وهذا يعني استخدام أطوال علوية مختلفة لكل جين. أما اختيار 'fixed length' فسيقوم بفحص هذا العدد المحدد من النيوكليوتيدات بدقة في الاتجاه العلوي من بداية الجين الحالي؛ وفي هذه الحالة، ستفحص SCOPE نفس الطول من التسلسل العلوي لكل جين، حتى لو امتد ذلك إلى الجين السابق (أو لم يمتد). عادةً ما يكون 800 nts هو أفضل طول يمكن اختياره، ولكن قد يختلف ذلك باختلاف الأنواع.
- بعد ذلك، حدد لأداة SCOPE مجموعة الجينات المراد تحليلها، إما عن طريق لصق قائمة الجينات الخاصة بك في مربع نص قائمة الجينات، أو بالضغط على زر 'choose file' لاختيار الملف الذي يحتوي على قائمة الجينات التي أنشأتها مسبقاً. بدلاً من ذلك، يمكنك لصق ملف تسلسل FASTA في مربع النص نفسه.
- يحتوي القسم التالي من الصفحة على مربع اختيار لـ 'Examine genome for other genes containing found motif(s)؟'. قد يؤدي هذا الخيار إلى زيادة وقت التحليل بشكل كبير لأن SCOPE يتعين عليها تقييم كل جين آخر في الجينوم. ومع ذلك، يمكن أن يكون هذا مفيداً جداً في تحديد الجينات الأخرى التي تعتبر مرشحة جيدة لتكون منظمة بشكل مشترك مع الجينات الموجودة في مجموعة الجينات الأولية. ونظراً لأن تحليلات SCOPE سريعة نسبياً، يُقترح ترك هذا الخيار غير مفعل في تحليلك الأولي، حيث يمكن دائماً تفعيله من صفحة النتائج لإعادة تشغيل التحليل، كما هو موضح في قسم النتائج.
- يمكن استخدام قسم 'Results must include' لإدخال موتيف تريد من SCOPE تضمينه في تحليله. قد ترغب في القيام بذلك إذا كنت تبحث عن موتيف محدد.
- يمكن استخدام القسم الأخير في الصفحة لإدخال عنوان بريدك الإلكتروني وتعليق ليتم حفظه مع التحليل. إذا تم ملء هذه البيانات، سترسل SCOPE رسالة بريد إلكتروني تحتوي على رابط يعود إلى صفحة الويب التي تضم النتائج، وستتضمن أيضاً مرفقين: الأول ملف نصي بسيط يحتوي على جميع نتائج التحليل بتنسيق قابل للقراءة البشرية، والمرفق الثاني يحتوي على ملف XML يضم كل نتيجة وجدتها SCOPE بتنسيق قابل للقراءة بواسطة الحاسوب. إذا كنت ترغب في إجراء تحليل إضافي للنتائج، فإن ملف XML مفيد جداً. يتم ضغط كلا الملفين بصيغة "zipped" قبل إرسالهما عبر البريد الإلكتروني.
- بالنسبة لهذا العرض التوضيحي، سنبدأ بنفس المعلومات. يمكن تحقيق ذلك بسهولة بالضغط على زر 'Sample Search' الذي سيقوم بملء المعلومات اللازمة. اضغط على هذا الزر الآن. سيتم إدخال ثلاثة جينات لك واتخاذ الاختيارات المناسبة للحقول الأخرى. اترك هذه الإعدادات كما هي. تشارك هذه الجينات الثلاثة في صيانة التيلومير في Saccharomyces cerevisiae. يظهر النموذج المعبأ في الشكل 2. اضغط على زر 'Run SCOPE' في أسفل الصفحة لبدء التحليل.
4. النتائج التمثيلية:
تظهر النتائج الرئيسية للتحليل في الشكل 3. يحتوي الجزء العلوي من الصفحة على جدول معلومات حول الزخارف (motifs) التي تم العثور عليها بواسطة SCOPE. يتضمن العمود الأول قائمة بالزخارف التي تم العثور عليها، وتعمل المربعات الملونة الصغيرة كدليل للخريطة الرسومية للزخارف الموضحة أدناه. يمكن تبديل عرض أي زخرفة معينة بين التشغيل والإيقاف عن طريق النقر داخل المربع الملون (أو في الموضع الذي يتواجد فيه المربع الملون). ويمكن أن يكون هذا مفيداً جداً لإخفاء عرض الزخارف شديدة التكرار التي قد تجعل من الصعب رؤية أنماط الزخارف الأقل انتشاراً.
تتضمن أعمدة البيانات الأخرى كلاً من العدد Count (عدد مرات ظهور هذا النمط في مجموعة الجينات بأكملها)، وقيمة الدلالة Sig value (مؤشر على مدى دلالة هذا النمط)، والتغطية Coverage (النسبة المئوية للجينات المقدمة التي تحتوي على نسخة واحدة على الأقل من هذا النمط)، والخوارزمية Algorithm (أي من الخوارزميات الثلاث المكونة تم استخدامها للكشف عن النمط).
سيؤدي النقر على أي من الزخارف (motifs) المدرجة إلى نقل المستخدم إلى صفحة تحتوي على معلومات مفصلة حول تلك الزخرفة. تظهر تفاصيل النتائج للزخرفة السماوية (atgnnnnttg) في الشكل 4. في هذه الصفحة، يتم تمثيل الزخرفة بثلاث طرق: شعار التسلسل (sequence logo)، ومصفوفة أوزان المواضع (position weight matrix)، وقائمة بجميع حالات ظهور الزخرفة مع تحديد مواقعها وسلاسلها وجيناتها.
توجد في أسفل الصفحة بمسافة قصيرة بعض التفاصيل الإضافية حول نتائج البحث عن جينات أخرى تحتوي على هذا النمط. وكما يتضح، كانت هناك في هذه الحالة 1344 جينًا آخر تحتوي على النمط، وقد أدى إضافتها جميعًا إلى تحسين قيمة Sig عند دمجها مع مجموعة الجينات الأصلية. سيؤدي الضغط على 'Add checked genes to search' إلى العودة إلى صفحة إعداد SCOPE مع إضافة هذه الجينات إلى مجموعة الجينات الأصلية وبقاء المعاملات كما كانت سابقًا. وفي هذه الحالة، تمت إضافة 10 جينات إضافية إلى الجينات الثلاثة الأصلية.
يوضح الشكل 5 نتائج التحليل الذي يتضمن الجينات الإضافية لهذا النمط. تظهر الجينات الثلاثة الأصلية في أسفل النتائج (بالأحرف الصغيرة). ويُظهر فحص نمط الزخارف في المنطقة العلوية لهذه الجينات الإضافية بوضوح أنها متشابهة. وفي الواقع، يشارك العديد من هذه الجينات في صيانة التيلومير، تماماً كما كانت الجينات الثلاثة الأصلية. لاحظ أيضاً أن النمط الأصلي هو الآن النمط صاحب أعلى درجة في هذه المجموعة.
تظهر مجموعة أخرى من نتائج SCOPE في الشكل 6. في هذه الحالة، تمثل مجموعة الجينات تلك المشاركة في التخليق الحيوي للريبوسومات في خميرة Saccharomyces cerevisiae. هذه الجينات ليست جزءاً فعلياً من الريبوسوم ولكنها مسؤولة عن تجميع الريبوسومات وتشمل عدداً من إنزيمات التعديل. ومن الواضح في الشكل أن الزخارف الحمراء والخضراء تشكل نمطاً موثوقاً من المرجح أن يكون مشاركاً في تنظيم الجينات في هذه المجموعة. نحن بصدد بحث هذا النمط من "الوحدات" بمزيد من التفصيل وسنعلن عن ذلك في منشور لاحق.
الشكل 1. صفحة الإدخال الرئيسية لبرنامج SCOPE. تُستخدم هذه الصفحة لإدخال الجينات المراد تحليلها وتحديد الأنواع وطول المنطقة العلوية (upstream region) المطلوب فحصها. ويمكن للمستخدم اختيارياً طلب النتائج عبر البريد الإلكتروني أو قصر البحث على نمط محدد. كما تتوفر مساعدة عبر الفيديو.
الشكل 2. صفحة إدخال SCOPE الرئيسية مع تعبئة القيم لإجراء عملية بحث. هذه المعاملات هي نتيجة الضغط على زر 'Sample Search'. في هذه الحالة، تم تفعيل مربع الاختيار للعثور على جينات أخرى تحتوي على الزخارف التي حددتها أداة SCOPE. يستغرق هذا الخيار وقتاً أطول في الحساب (حيث يجب فحص كل جين في الجينوم) ولكنه قد يوفر رؤى مثيرة للاهتمام.
الشكل 3. صفحة نتائج SCOPE الرئيسية. تلخص هذه الصفحة نتائج بحث SCOPE. يتم تقديم قائمة بجميع الموتيفات ذات الدرجات العالية، وتوضح خريطة الموتيفات ذات الرموز اللونية تموضع الموتيفات المحددة في مجموعة الجينات التي تم تحليلها. يؤدي النقر فوق المربع الملون الموجود بجانب الموتيف إلى تبديل عرض ذلك الموتيف (تشغيله أو إيقافه) في خريطة الموتيفات. وبالإضافة إلى درجة الأهمية (قيمة Sig)، يتم أيضاً تقديم كسر الجينات التي تحتوي على الموتيف (التغطية)، والخوارزمية المستخدمة للعثور على ذلك الموتيف.
الشكل 4. تظهر صفحة تفاصيل النتائج هذه عند النقر فوق زخرفة (motif) محددة في صفحة النتائج الرئيسية، وهي تعرض تفاصيل الزخرفة الفردية. يمثل كل من شعار التسلسل، ومصفوفة أوزان المواقع (PWM)، والتسلسل التوافقي نوعاً مختلفاً من ملخصات قائمة حالات الزخرفة الموجودة أيضاً في الصفحة. وبما أنه تم تفعيل خيار 'البحث عن جينات إضافية' في إعدادات البحث الأصلية، تتوفر في هذه الصفحة أيضاً معلومات حول أي جينات أخرى في الجينوم تحتوي على هذه الزخرفة. ومن هذه الصفحة، يمكن أيضاً بدء تشغيل آخر لبرنامج SCOPE يتضمن الجينات الإضافية التي تم تحديدها في هذه الصفحة.
الشكل 5يوضح هذا الشكل نتائج البحث عن جينات إضافية للموتيف 'atgnnnnttg' الموضح في الشكل 4. وتظهر الجينات الثلاثة الأصلية بأحرف صغيرة في أسفل خريطة الموتيف، بينما تظهر الجينات الإضافية بأحرف كبيرة. وهناك نمط واضح للموتيفات في المناطق العلوية لهذه الجينات. لاحظ أيضاً أن الموتيف المحدد يظهر الخوارزمية كـ 'LOOKUP' لأن هذه هي الطريقة التي تم من خلالها تحديده. وهو في الواقع يطابق الـ 5th النمط الذي تم العثور عليه بواسطة SPACER في هذا التحليل.
الشكل 6. مخرجات SCOPE للجينات المشاركة في التكوين الحيوي للريبوسوم في Saccharomyces cerevisiae. لاحظ النمط المحفوظ للوحدات المكونة من الزخارف 'aaawtttbh' (باللون الأحمر) و 'abctcatcd' (باللون الأخضر)، والتي يفصل بينها حوالي 10-30 nts وتوجد على مسافة 100-200 نيوكليوتيد في الاتجاه العلوي (upstream) من موقع بدء النسخ للجين.
المناقشة
يوفر نظام SCOPE للباحث أداة قوية يمكن استخدامها لتحديد الزخارف التنظيمية (regulatory motifs) المحتملة في مجموعات من الجينات التي يتم تنظيمها بشكل منسق. ولا يُطلب من المستخدم تخمين حجم الزخرفة أو عدد مرات تكرارها، كما تتطلب العديد من المواقع الأخرى المتخصصة في البحث عن الزخارف. وتعتبر هذه المعايير غير قابلة للمعرفة أساساً حتى يتم تحديد الزخرفة. وتتميز الواجهة بالبساطة الشديدة سواء عند إدخال التسلسلات أو أسماء الجينات، أو عند عرض المخرجات.
توفر مخرجات SCOPE معلومات مفصلة عن جميع الزخارف (motifs) التي تم تحديدها، وذلك باستخدام ثلاث طرق مختلفة لتمثيل الزخارف. حيث يتم إدراج كل حالة من حالات الزخرفة في جميع الجينات مع معلومات عن الموقع و"الشريط" (strand). كما توفر النتائج الرسومية، في شكل خرائط للزخارف، عرضاً مرئياً سهل الفهم ويوفر وسيلة بديهية لرؤية الأنماط في الزخارف الموجودة.
تتميز أداة SCOPE بمرونة عالية تجاه وجود الضجيج في البيانات. وعادةً ما يتخذ ذلك شكل وجود جينات إضافية في المجموعة الأولية قد لا تكون في الواقع منظمة بشكل مشترك مع بقية الجينات. يحدث هذا غالباً عند البدء بجينات يتم التعبير عنها بشكل مشترك في تجارب المصفوفات الدقيقة (microarray). أحياناً تكون التجربة مشوبة بالضجيج، أو قد يكون هناك العديد من عوامل النسخ المنشطة في الظروف التجريبية المستخدمة في تجربة المصفوفات الدقيقة. ومن المرجح أن يكون لهذه العوامل المختلفة من عوامل النسخ مواقع استهداف مختلفة على الـ DNA. وحتى في حالة وجود جينات غريبة بمقدار 4 أضعاف (نسبة الضجيج إلى الإشارة هي 4:1)، تظل SCOPE محتفظة بـ 50% من دقتها في التنبؤ بالمواقع1.
على الرغم من أن SCOPE يحتوي على أكثر من 2 مليون مرادف لأسماء الجينات، إلا أنه قد يفشل أحياناً في التعرف على بعض أسماء الجينات. نحن نعمل باستمرار على تحديث قوائم المرادفات الخاصة بنا، ولكننا نجد أحياناً أن مرادفات مختلفة تشير إلى الجين نفسه؛ وفي هذه الحالات، لا نقوم بإدراج هذه المرادفات بسبب الغموض. إذا كان لديك اسم جين لم يعثر عليه SCOPE، فنوصي بالرجوع إلى الموقع الخاص بالجينوم للعثور على اسم جين بديل لاستخدامه في SCOPE. ويوفر SCOPE أمثلة على أسماء الجينات المناسبة لكل نوع.
يحتوي SCOPE حاليًا على 72 نوعًا مع إضافة أنواع جديدة باستمرار. ويتضمن الموقع الإلكتروني مقاطع فيديو تعليمية بالإضافة إلى الأسئلة الشائعة. يتوفر الكود المصدري مجانًا للمستخدمين الأكاديميين من خلال المراسلة مع RHG.
الإفصاحات
لم يتم الإفصاح عن أي تضارب في المصالح.
شكر وتقدير
تم دعم هذا البحث من خلال منحة مقدمة إلى RHG من المؤسسة الوطنية للعلوم، DBI-0445967.
المراجع
- Chakravarty, A., Carlson, J. M., Khetani, R. S., Gross, R. H. A novel ensemble learning method for de novo computational identification of DNA binding sites. BMC Bioinformatics. 8, 249-249 (2007).
- Carlson, J. M., Chakravarty, A., DeZiel, C. E., Gross, R. H. SCOPE: a web server for practical de novo motif discovery. Nucleic Acids Res. 35, 259-264 (2007).
- Blom, E. J., Roerdink, J. B., Kuipers, O. P., Hijum, S. A. van MOTIFATOR: detection and characterization of regulatory motifs using prokaryote transcriptome data. Bioinformatics. 25, 550-551 (2009).
- Blom, E. J. DISCLOSE : DISsection of CLusters Obtained by SEries of transcriptome data using functional annotations and putative transcription factor binding sites. BMC Bioinformatics. 9, 535-535 (2008).
- Bushey, A. M., Ramos, E., Corces, V. G. Three subclasses of a Drosophila insulator show distinct and cell type-specific genomic distributions. Genes Dev. 23, 1338-1350 (2009).
- Znaidi, S. Identification of the Candida albicans Cap1p regulon. Eukaryot Cell. 8, 806-820 (2009).
- Sharma, D., Mohanty, D., Surolia, A. RegAnalyst: a web interface for the analysis of regulatory motifs, networks and pathways. Nucleic Acids Res. 37, W193-W201 (2009).
- Znaidi, S. Genomewide location analysis of Candida albicans Upc2p, a regulator of sterol metabolism and azole drug resistance. Eukaryot Cell. 7, 836-847 (2008).
- Carlson, J., Chakravarty, A., Gross, R. B. E. A. M. A beam search algorithm for the identification of cis-regulatory elements in groups of genes. J Comput Biol. 13, 686-701 (2006).
- Carlson, J., Chakravarty, A., Khetani, R., Gross, R. Bounded search for de novo identification of degenerate cis-regulatory elements. BMC Bioinformatics. 7, 254-254 (2006).
- Chakravarty, A., Carlson, J. M., Khetani, R. S., DeZiel, C. E., Gross, R. H. SPACER: identification of cis-regulatory elements with non-contiguous critical residues. Bioinformatics. 23, 1029-1031 (2007).
إعادة الطباعة والأذونات
