مقالة منهجية

تستخدم لتحديد نطاق الدوافع المحتملة في تنظيم الجينات Coregulated

DOI:

10.3791/2703

⸱

مايو 31, 2011

 , 
1Department of Biology, Dartmouth College

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
< p class = "jove_content" > يتم تقديم طريقة مباشرة وقوية لتحديد الزخارف التنظيمية المحتملة في الجينات المنظمة بشكل مشترك. لا يتطلب SCOPE أي معلمات مستخدم ويرجع الزخارف التي تمثل مرشحين ممتازين للإشارات التنظيمية. يساعد تحديد هذه الإشارات التنظيمية على فهم البيولوجيا الأساسية.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

SCOPE عبارة عن مكتشف زخارف جماعية يستخدم ثلاث خوارزميات مكونات بالتوازي لتحديد الزخارف التنظيمية المحتملة من خلال الإفراط في التمثيل وتفضيل موضعالحافز 1. تم تحسين خوارزمية كل مكون للعثور على نوع مختلف من الزخارف. من خلال اتباع أفضل هذه الأساليب الثلاثة ، يعمل SCOPE بشكل أفضل من أي خوارزمية واحدة ، حتى في وجود بيانات صاخبة1. في هذه المقالة ، نستخدم نسخة ويب من SCOPE2 لفحص الجينات التي تشارك في صيانة التيلومير. تم دمج SCOPE في برنامجين آخرين على الأقل لإيجاد الزخارف3،4 وتم استخدامه في دراسات أخرى5-8.

الخوارزميات الثلاث التي تتألف منها SCOPE هي BEAM9 ، الذي يجد زخارف غير منحطة (ACCGGT) ، PRISM10 ، الذي يجد الزخارف المتدهورة (ASCGWT) ، و SPACER11 ، الذي يجد زخارف ثنائية أطول (ACCnnnnnnnnGGT). تم تحسين هذه الخوارزميات الثلاث للعثور على نوع الفكرة المقابل لها. معا ، يسمحون ل SCOPE بالأداء الجيد للغاية.

بمجرد تحليل مجموعة الجينات وتحديد الزخارف المرشحة ، يمكن ل SCOPE البحث عن الجينات الأخرى التي تحتوي على الحافز والتي ، عند إضافتها إلى المجموعة الأصلية ، ستحسن درجة الحافز. يمكن أن يحدث هذا من خلال التمثيل المفرط أو تفضيل موضع الحافز. من خلال العمل مع مجموعات الجينات الجزئية التي تم التحقق منها بيولوجيا من مواقع ربط عامل النسخ ، تمكنت SCOPE من تحديد معظم الجينات المتبقية التي ينظمها أيضا عامل النسخ المحدد.

يظهر الإخراج من SCOPE الزخارف المرشحة وأهميتها والمعلومات الأخرى كجدول وكخريطة رسومية. تتوفر الأسئلة الشائعة ودروس الفيديو على موقع SCOPE على الويب والذي يتضمن أيضا زر "نموذج البحث" الذي يسمح للمستخدم بإجراء تشغيل تجريبي. يحتوي

Scope على واجهة مستخدم سهلة الاستخدام للغاية تمكن المستخدمين المبتدئين من الوصول إلى القوة الكاملة للخوارزمية دون الحاجة إلى أن يصبحوا خبراء في المعلوماتية الحيوية لإيجاد الفكرة كمدخلات ، يمكن ل SCOPE أن تأخذ قائمة بالجينات أو تسلسلات FASTA. يمكن إدخالها في حقول نصية المتصفح ، أو قراءتها من ملف. يحتوي الإخراج من SCOPE على قائمة بجميع الزخارف المحددة مع درجاتها وعدد التكرارات وجزء الجينات التي تحتوي على الحافز والخوارزمية المستخدمة لتحديد الشكل. لكل فكرة ، تتضمن تفاصيل النتيجة تمثيلا إجماعيا للفكرة ، وشعار تسلسل ، ومصفوفة وزن الموضع ، وقائمة بحالات لكل حدث فكرة (مع تحديد المواضع الدقيقة و "الخيط"). يتم إرجاع النتائج في نافذة المتصفح وأيضا اختياريا عن طريق البريد الإلكتروني. تصف الأوراق السابقة خوارزميات SCOPE بالتفصيل1،2،9-11.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. قم بإعداد قائمة بأسماء الجينات التي تعتقد أنها منظمة بشكل مشترك لتحليلها بواسطة SCOPE.

احفظ القائمة كملف نصي أو انسخها إلى الحافظة لصقها في SCOPE في الخطوة 3. يجب أن يحتوي الملف على اسم جين واحد لكل سطر بدون معلومات إضافية. بدلا من ذلك ، يمكنك إعداد القائمة كملف FASTA يحتوي على التسلسلات الفعلية المراد تحليلها.

2. ابدأ متصفح الويب الخاص بك واتصل بعنوان URL: http://genie.dartmouth.edu/SCOPE/

3. أدخل المعلومات التي يحتاجها SCOPE لإجراء التحليل.

تظهر صفحة SCOPE الأولية في الشكل 1. يتم تناول أقسام مختلفة في هذه الخطوة.

  1. استخدم القائمة المنبثقة "الأنواع" لاختيار الأنواع التي ستقوم بفحصها. من المهم اختيار الأنواع الصحيحة لأن SCOPE يشير إلى الجينوم لحساب ترددات الخلفية لأي فكرة مرشحة يقوم بفحصها.
  2. استخدم أزرار الاختيار "تسلسل المنبع" لاختيار الطول بين الجينات أو الطول الثابت. سيقوم Intergenic بتحليل كل التسلسل بين الجين الذي تبحث عنه والجين السابق (المنبع). هذا يعني أنه سيتم استخدام أطوال مختلفة لكل جين. سيؤدي اختيار الطول الثابت إلى النظر بالضبط إلى هذا العدد من النيوكليوتيدات في اتجاه المنبع من بداية الجين الحالي. في هذه الحالة ، سيقوم SCOPE بفحص نفس طول تسلسل المنبع لكل جين ، حتى لو امتد ذلك إلى الجين السابق (أم لا). عادة ما يكون 800 nts هو أفضل طول للاختيار من بينها ، ولكن هذا يمكن أن يختلف باختلاف الأنواع.
  3. بعد ذلك ، أخبر SCOPE بمجموعة الجينات التي يجب تحليلها إما عن طريق اللصق في قائمة الجينات الخاصة بك في مربع نص قائمة الجينات ، أو بالضغط على زر "اختيار ملف" لتحديد الملف الذي يحتوي على قائمة الجينات التي قمت بإنشائها سابقا. يمكنك ، بدلا من ذلك ، لصق ملف تسلسل FASTA في نفس مربع النص.
  4. يحتوي القسم التالي من الصفحة على مربع اختيار ل "فحص الجينوم بحثا عن الجينات الأخرى التي تحتوي على شكل (زخارف) تم العثور عليها؟" يمكن أن يضيف هذا الخيار وقتا طويلا للتحليل حيث يتعين على SCOPE تقييم كل جين آخر في الجينوم. ومع ذلك ، يمكن أن يكون هذا مفيدا جدا في تحديد الجينات الأخرى المرشحة الجيدة للتنظيم المشترك مع الجينات الموجودة في مجموعة الجينات البدءية. نظرا لأن تحليلات SCOPE سريعة نسبيا ، فمن المقترح أن تترك هذا في تحليلك الأولي. يمكن دائما تشغيله من صفحة النتائج لإعادة تشغيل التحليل، كما هو موضح في قسم النتائج.
  5. يمكن استخدام قسم "يجب أن تتضمن النتائج" لإدخال فكرة تريد أن تدرجها SCOPE في تحليلها. قد ترغب في القيام بذلك إذا كنت تبحث عن فكرة معينة.
  6. يمكن استخدام القسم الأخير في الصفحة لإدخال عنوان بريدك الإلكتروني وتعليق ليتم حفظه مع التحليل. إذا تم ملء هذا ، فسيرسل SCOPE بريدا إلكترونيا يحتوي على رابط إلى صفحة الويب تحتوي على النتائج ، وسيتضمن أيضا مرفقين. أحدهما هو ملف نصي عادي يحتوي على جميع نتائج التحليل بتنسيق يمكن للإنسان قراءته. يحتوي المرفق الثاني على ملف XML يحتوي على كل نتيجة عثر عليها SCOPE بتنسيق يمكن قراءته على الكمبيوتر. إذا كنت ترغب في إجراء بعض التحليلات الإضافية على النتائج ، فإن ملف XML مفيد للغاية. يتم "ضغط" كلا الملفين قبل إرسالهما مع البريد الإلكتروني.
  7. في هذا العرض التوضيحي ، سنبدأ بنفس المعلومات. يمكن تحقيق ذلك بسهولة عن طريق الضغط على زر "عينة البحث" الذي سيملأ المعلومات اللازمة. اضغط على هذا الزر الآن. سيتم إدخال ثلاثة جينات لك واتخاذ الخيارات المناسبة للمجالات الأخرى. اتركها كما تم ضبطها. تشارك الجينات الثلاثة في صيانة التيلومير في خميرة الخميرة. يظهر النموذج المملوء في الشكل 2. اضغط على زر "تشغيل SCOPE" في أسفل الصفحة لبدء التحليل.
< p class = "jove_title" >4. النتائج التمثيلية:

النتائج الرئيسية للتحليل موضحة في الشكل 3. يحتوي الجزء العلوي من الصفحة على جدول معلومات حول الزخارف التي عثر عليها SCOPE. يحتوي العمود الأول على قائمة بالزخارف التي تم العثور عليها والمربعات الملونة الصغيرة بمثابة وسيلة إيضاح لخريطة الزخارف الرسومية الموضحة أدناه. يمكن تشغيل عرض أي شكل معين أو إيقاف تشغيله بالنقر في المربع الملون (أو مكان وجود المربع الملون). يمكن أن يكون هذا مفيدا جدا لإخفاء عرض الزخارف المتكررة للغاية والتي قد تجعل من الصعب رؤية أنماط الزخارف الأقل انتشارا.

الأعمدة الأخرى للبيانات هي Count (عدد تكرارات هذا الشكل في مجموعة الجينات بأكملها) ، وقيمة Sig (مؤشر على أهمية هذا الحافز) ، والتغطية (النسبة المئوية للجينات المقدمة التي تحتوي على مثيل واحد على الأقل من هذا الشكل) ، والخوارزمية (أي من الخوارزميات المكونة الثلاثة تم استخدامها للكشف عن الحافز).

سيؤدي النقر فوق أي من الزخارف المدرجة إلى نقل المستخدم إلى صفحة تحتوي على معلومات مفصلة عن هذا الشكل. يتم عرض تفاصيل النتائج للشكل السماوي (atgnnnnttg) في الشكل 4. في هذه الصفحة ، يتم تمثيل الحافز بثلاث طرق: شعار التسلسل ، ومصفوفة وزن الموضع ، وقائمة بجميع مثيلات الزخارف مع مواقعها وخيوطاها وجيناتها.

أبعد قليلا من الصفحة توجد بعض التفاصيل الإضافية حول نتائج البحث عن جينات أخرى تحتوي على هذا الشكل. كما يتضح ، في هذه الحالة ، كان هناك 1344 جينا آخر يحتوي على الشكل ، وكلها حسنت بالفعل قيمة Sig عند إضافتها إلى مجموعة الجينات الأصلية. سيعود الضغط على "إضافة جينات محددة للبحث" إلى صفحة إعداد SCOPE مع إضافة هذه الجينات إلى مجموعة الجينات الأصلية وتعيين المعلمات كما كانت سابقا. في هذه الحالة ، تتم إضافة 10 جينات إضافية إلى الثلاثة الأصلية.

يوضح الشكل 5

نتائج التحليل الذي يحتوي على الجينات الإضافية لهذا الشكل. الجينات الثلاثة الأصلية موجودة في الجزء السفلي من النتائج (بأحرف صغيرة). إن النظر إلى نمط الزخارف في منطقة المنبع لهذه الجينات الإضافية يظهر بوضوح أنها متشابهة. في الواقع ، تشارك العديد من هذه الجينات في صيانة التيلومير كما كانت الجينات الثلاثة الأصلية. لاحظ أيضا أن الشكل الأصلي هو الآن أعلى شكل في هذه المجموعة.

تظهر مجموعة أخرى من نتائج SCOPE في الشكل 6. في هذه الحالة ، تكون مجموعة الجينات هي تلك التي تشارك في التكوين الحيوي للريبوسوم في خميرة الخميرة. هذه الجينات ليست في الواقع جزءا من الريبوسوم ولكنها مسؤولة عن تجميع الريبوسومات وتشمل عددا من إنزيمات التعديل. ما هو واضح في الشكل هو أن الزخارف الحمراء والخضراء تشكل نمطا موثوقا به من المحتمل أن يشارك في تنظيم الجينات في هذه المجموعة. نحن نحقق في هذا النمط من "الوحدات" بمزيد من التفصيل وسنبلغ عنه في منشور لاحق.

figure-protocol-1
الشكل 1. صفحة إدخال SCOPE الرئيسية. تستخدم هذه الصفحة لإدخال الجينات المراد تحليلها وتحديد الأنواع وطول منطقة المنبع المراد فحصها. اختياريا، يمكن للمستخدم طلب النتائج عبر البريد الإلكتروني أو تقييد البحث بأي شكل محدد. تتوفر أيضا مساعدة الفيديو.

figure-protocol-2
الشكل 2. صفحة إدخال SCOPE الرئيسية مع القيم المملوءة لإجراء البحث. هذه المعلمات هي نتيجة الضغط على زر "نموذج البحث". في هذه الحالة ، يتم تحديد خانة الاختيار للعثور على الجينات الأخرى التي تحتوي على الزخارف التي عثر عليها SCOPE. يستغرق هذا الخيار وقتا أطول للحساب (يجب فحص كل جين في الجينوم) ولكن يمكن أن يوفر رؤى مثيرة للاهتمام.

figure-protocol-3
الشكل 3. صفحة نتائج SCOPE الرئيسية. تلخص هذه الصفحة نتائج بحث SCOPE. يتم توفير قائمة بجميع الزخارف ذات الدرجات العالية وتظهر خريطة الشكل المرمزة بالألوان وضع الزخارف المحددة في مجموعة الجينات التي تم تحليلها. سيؤدي النقر فوق مربع ملون بجوار فكرة إلى تبديل عرض هذا الشكل أو إيقاف تشغيله في خريطة الحافز. بالإضافة إلى درجة الدلالة (قيمة Sig) ، يتم أيضا توفير جزء الجينات التي تحتوي على الحافز (التغطية) ، والخوارزمية المستخدمة للعثور على هذا الحافز.

figure-protocol-4
figure-protocol-5
الشكل 4. يتم عرض صفحة تفاصيل النتائج هذه عند النقر فوق فكرة معينة في صفحة النتائج الرئيسية. يظهر تفاصيل الفكرة الفردية. يمثل كل من شعار التسلسل ومصفوفة وزن الموضع وتسلسل الإجماع نوعا مختلفا من الملخص لقائمة مثيلات الحافز أيضا على الصفحة. نظرا لأنه تم التحقق من "العثور على جينات إضافية" في إعداد البحث الأصلي ، فهناك أيضا معلومات في هذه الصفحة حول أي جينات أخرى في الجينوم تحتوي على هذا الشكل. من هذه الصفحة ، من الممكن أيضا بدء تشغيل SCOPE آخر بما في ذلك الجينات الإضافية المحددة في هذه الصفحة.

figure-protocol-6
الشكل 5. يوضح هذا الشكل نتائج البحث عن جينات إضافية للفكرة "atgnnnnttg" الموضحة في الشكل 4. الجينات الثلاثة الأصلية بأحرف صغيرة في الجزء السفلي من خريطة الزخارف. تظهر الجينات الإضافية بأحرف كبيرة. هناك نمط واضح للزخارف في المناطق الأولية من هذه الجينات. لاحظ أيضا أن الحافز المحدد يظهر خوارزمية على أنها "LOOKUP" لأن هذه هي الطريقة التي تم تحديدها بها. إنه في الواقع يتطابق مع الشكلالخامس الذي وجده SPACER في هذا التحليل.

figure-protocol-7
الشكل 6. مخرجات SCOPE للجينات المشاركة في التكوين الحيوي للريبوسوم في خميرة الخميرة. لاحظ النمط المحفوظ للوحدات التي تتكون من الزخارف "aaawtttbh" (أحمر) و "abctcatcd" (أخضر) مفصولة بحوالي 10-30 nts وموجودة في 100-200 نيوكليوتيد في بداية النسخ للجين.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يوفر SCOPE للباحث أداة قوية لاستخدامها في تحديد الزخارف التنظيمية المحتملة في مجموعات من الجينات المنظمة بشكل منسق. لا يطلب من المستخدم تخمين حجم الحافز أو عدد مرات تكرار الحافز كما تتطلبه العديد من مواقع البحث عن الحافز الأخرى. هذه المعلمات غير معروفة بشكل أساسي حتى يتم تحديد الحافز. الواجهة بسيطة للغاية لإدخال التسلسلات أو أسماء الجينات وعرض الإخراج.

يوفر إخراج SCOPE معلومات مفصلة حول جميع الزخارف التي تم تحديدها ، باستخدام ثلاث طرق مختلفة لتمثيل الحافز. يتم سرد كل مثيل للشكل في جميع الجينات مع معلومات الموضع و "الخيط". توفر النتائج الرسومية في شكل خرائط زخارف عرضا مرئيا يسهل فهمه ويوفر طريقة بديهية لرؤية الأنماط في الزخارف الموجودة.

SCOPE قوي جدا لوجود ضوضاء في البيانات. عادة ما يأخذ هذا شكل وجود جينات إضافية في مجموعة البداية والتي قد لا يتم تنظيمها بشكل مشترك مع بقية الجينات. يحدث هذا غالبا عند البدء بالجينات التي يتم التعبير عنها بشكل مشترك في تجارب المصفوفات الدقيقة. في بعض الأحيان تكون التجربة صاخبة ، أو قد يكون هناك العديد من عوامل النسخ التي يتم تنشيطها في الظروف التجريبية المستخدمة لتجربة المصفوفات الدقيقة. من المحتمل أن يكون لعوامل النسخ المختلفة مواقع مستهدفة مختلفة على الحمض النووي. حتى في وجود جينات غريبة 4 أضعاف (الضوضاء: نسبة الإشارة 4: 1) ، لا يزال SCOPE يحافظ على 50٪ من دقته في التنبؤ بالمواقع1.

على الرغم من أن SCOPE يحتوي على أكثر من 2 مليون مرادف لأسماء الجينات ، إلا أنه يفشل أحيانا في تحديد بعض أسماء الجينات. نقوم باستمرار بتحديث قوائم المرادفات الخاصة بنا ، ولكن في بعض الأحيان نجد أن المرادفات المختلفة تشير إلى نفس الجين. في هذه الحالات ، لا نقوم بتضمين المرادفات بسبب الغموض. إذا كان لديك اسم جين لم يتم العثور عليه بواسطة SCOPE ، فمن المستحسن أن تشير إلى موقع الجينوم الخاص للعثور على اسم جيني بديل لاستخدامه في SCOPE. يتم توفير أمثلة على أسماء الجينات المناسبة لكل نوع بواسطة SCOPE.

يحتوي SCOPE حاليا على 72 نوعا مع إضافة أنواع جديدة طوال الوقت. يحتوي موقع الويب على تعليمات الفيديو بالإضافة إلى الأسئلة الشائعة. الكود المصدري متاح مجانا للمستخدمين الأكاديميين عن طريق الكتابة إلى RHG.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

لم يتم الإعلان عن تضارب في المصالح.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم دعم هذا البحث بمنحة إلى RHG من المؤسسة الوطنية للعلوم ، DBI-0445967.

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Znaidi, S. Identification of the Candida albicans Cap1p regulon. Eukaryot Cell. 8, 806-820 (2009).
  7. 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).
  8. Znaidi, S. Genomewide location analysis of Candida albicans Upc2p, a regulator of sterol metabolism and azole drug resistance. Eukaryot Cell. 7, 836-847 (2008).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

SCOPE

مقالات ذات صلة