כאן, אנו מציגים פרוטוקול לניתוח מעמיק של תפקיד גן יחיד בסרטן שלפוחית השתן (BLCA) המבוסס על ניתוח טרנסקריפטום וניתוח תא יחיד, יחד עם שימוש ב-101 אלגוריתמים של למידת מכונה, לבניית מודל פרוגנוסטי לגן היחיד שהוזכר.
מאמר שיטה
* These authors contributed equally
כאן, אנו מציגים פרוטוקול לניתוח מעמיק של תפקיד גן יחיד בסרטן שלפוחית השתן (BLCA) המבוסס על ניתוח טרנסקריפטום וניתוח תא יחיד, יחד עם שימוש ב-101 אלגוריתמים של למידת מכונה, לבניית מודל פרוגנוסטי לגן היחיד שהוזכר.
במאמר זה מוצגת שיטת ניתוח המבוססת על מערכי נתונים טרנסקריפטומיים ציבוריים ומאגרי נתונים חד-תאיים, שניתן להשתמש בהם לתיאור מקיף של תפקיד גנים בודדים בגידולים, כולל עיצוב המיקרו-סביבה החיסונית של הגידול, עיצוב תת-סוגים מולקולריים של גידול, וחיזוי הפרוגנוזה של חולי גידול. במקביל, הכנסת נתוני גן יחיד יכולה לא רק למנוע את האקראיות וההטרוגניות שנוצרים בניתוח טרנסקריפטום יחיד, אלא גם מאפשרת חקירה מעמיקה יותר של אילו אשכולות תאים ספציפיים בהם הגן מבוטא, וכן מחקר נוסף על תפקיד הגן במסלול. בהתחשב בכך שרבים מהחוקרים אינם מיומנים בניתוח תא יחיד, מוצג אתר אינטרנט במאמר זה, הנקרא TISCH2 (http://tisch.compbio.cn/), וכך עוזר לכולם להשלים את ניתוח התא היחיד. בנוסף, יישום 101 שיטות למידת מכונה שיחק תפקיד חיוני בבניית המודל הפרוגנוסטי המדויק ביותר. לסיכום, מאמינים כי שיטת הניתוח המשולבת של גן יחיד, המשלבת ניתוח ביואינפורמטיקה, למידת מכונה וניתוח תא יחיד, יכולה למלא תפקיד חיוני וקריטי בחקר תפקידי גנים בודדים בהתקדמות הגידול, וכן בחקר תפקידי גנים בודדים במסלולי הדרך.
כפי שכולנו יודעים, סרטן שלפוחית השתן (BLCA) הוא אחד הגידולים הממאירים האגרסיביים והגרורתיים ביותר בעולם, ועדיין קיימות בעיות עם הסמנים הביולוגיים הנוכחיים לסרטן שלפוחית השתן, כמו חוסר דיוקוכדומה. כדי לזהות את התחזית של חולי BLCA ולחזות את תוצאותיהם, החיפוש אחר סמנים ביולוגיים לסרטן שלפוחית השתן והקמת מודלים פרוגנוסטיים הם בעלי חשיבות רבה. למרות שאנשים פיתחו שיטות מחקר מסוימות לסמנים ביולוגיים, רוב השיטות כיום מוגבלות לטרנסקריפטומיקה, מה שמוביל בהכרח להטרוגניות בדגימות2. יתרה מזאת, חקר נתוני טרנסקריפטומיקה לבדו לעיתים קרובות לא מצליח לחקור את התפקידים של תת-אוכלוסיות תאיות שונות, וכן את תפקידי הגנים במסלולים שונים ברמת התא היחיד, מה שהופך את המחקר הקודם לפחות מדויק ויעיל3. בהתחשב בכך שניתוח תא יחיד עשוי להיות מאתגר למתחילים, הוצגה פלטפורמה מקוונת לניתוח תא יחיד כדי לעזור להם ללמוד את הכישורים במהירות4. ולבסוף, גם אם גן אחד נמצא כסמן ביולוגי מתאים באמצעות ניתוח טרנסקריפטום וניתוח תאים בודדים, אין ערובה שהסמן יהיה ישים לכל הקבוצה, ולכן יש צורך לבנות מודלים פרוגנוסטיים הקשורים לסמן הביולוגי כדי להפוך את המסקנות לרלוונטיות יותר אוניברסלית5. אלגוריתם 101 למידת מכונה מתייחס לבניית 101 מודלים פרוגנוזה באמצעות שילוב של 10 אלגוריתמים שונים של למידת מכונה, במטרה לזהות את מודל הפרוגנוזה האופטימלי. הכללת אלגוריתמים כמו יער אקראי, XGBoost ו-SVM, המסוגלים יותר לטפל בנתונים מורכבים ומפגינים יציבות גבוהה יותר, הביאה לכך שהאלגוריתם המשולב הזה מפגין יציבות יוצאת דופן. כדי להפוך את המודל הפרוגנוסטי למדויק ורלוונטי יותר לסמן, מתבצע תחילה ניתוח קורלציה בין כל הגנים לבין הביומרקר, לאחר מכן נבחר כ-20-30 גנים לפי דרישות, ולאחר מכן משתמשים באלגוריתם למידת מכונה 101 לבניית המודל הפרוגנוסטי, ולאחר מכן סדרת ניתוחים לסיום התוצאות.
בהשוואה לסמנים הביולוגיים שחזו בניתוח טרנסקריפטומיקה פשוט שלששת השנים האחרונות, הביומרקרים של ניתוח תא יחיד וטרנסקריפטומיקה מאפשרים פירוק בלתי מוטה של רקמות או דגימות לרכיבים התאיים הבסיסיים שלהן. היא מאפשרת התמיינות ברורה של סוגי תאים שונים (כגון תאי T, תאי B ומקרופאגים) וגילוי תת-אוכלוסיות חדשות (כגון תאי T מותשים ותאי T רגולטוריים), וכן לכידת תהליכים דינמיים רציפים (כגון מסלולי התמיינות תאים)4. זה דומה לסידור פירות וחלב בנפרד, ומאפשר המחשה ברורה של כל רכיב וכמותו. בהשוואהלמודלים 7 של קוקס חד-קבוצה, המודל הפרוגנוסטי שנבנה באמצעות למידת מכונה 101 הוא גם מדויק ומדעי יותר, שכן הוא יכול ללמוד אוטומטית על האינטראקציות המורכבות והלא-ליניאריות בין משתנים מהנתונים. לדוגמה, השפעת מוטציה גנטית מסוימת עשויה להיות משמעותית רק אצל מטופלים בגילאים וגדלי גידול מסוימים. מודלים של למידת מכונה כמו יערות אקראיים ורשתות עצביות יכולים ללכוד באופן אוטומטי אינטראקציות ברמה גבוהה אלו ללא צורך במפרט ידני8. מגבלות היישום המרכזיות של האיתות שהמאגר המשמש לניתוח חייבות לכלול את רוב הגנים, כאשר מספר הגנים אינו נמוך מדי, ומספר הגנים המשמשים לבניית מודלים פרוגנוסטיים אינו גבוה מדי, בדרך כלל נשמר סביב 20-30, והוא אופטימלי. תקן בקרת האיכות של סט תאים בודדים צריך להיות גבוה מ-1000, ספירת ה-UMI לתא צריכה להיות גבוהה מ-1000, ומספר הגנים לתא צריך להיות גבוה מ-5009.
כאן, ניתנת גישה שלב אחר שלב לזיהוי סמנים ביולוגיים חדשים מתוך מאגרי נתונים טרנסקריפטומיים ציבוריים וממערכי נתונים חד-תאיים, תוך שימוש בתפקיד TRPM4 ב-BLCA כדוגמה. שיטות מחקר רבות משמשות ומאגרי נתונים מגוונים – כולל מאגר הנתונים של אטלס סרטן הגנום של הסרטן (TCGA-BLCA), GSE145281 נתונים חד-תאיים ו-BLCA GSE32894 ו-GSE31684 – כדי לשפר את הדיוק והיישום של סמנים ביולוגיים באונקולוגיה מנקודות מבט שונות ולקדם את חקר TRPM4 ב-BLCA. מערך הנתונים של TCGA-BLCA התקבל מאתר אוניברסיטת קליפורניה, סנטה קרוז קסנה (UCSC Xena). GSE32894 ו-GSE31684 הורדו מ-Gene Expression Omnibus (GEO), ונתוני תא יחיד GSE145281 נאספו מ-Tumor Immune Single-Cell Hub 2 (TISCH2). בנוסף, נתונים על תתי-סוגים מולקולריים של BLCA ותגובות טיפול נאספו מקבצי גיליון אלקטרוני משלימים של מאמר רלוונטי. לאחר מכן מתבצעים ניתוח ביואינפורמטיקה, ניתוח תא יחיד ולמידת מכונה, ומבססים מתודולוגיית מחקר משולבת של גן יחיד.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הערה: כל הקודים בהם השתמשו במאמר זה נמצאים באתר https://github.com/YaoGeng-nmu/Analysis-of-TRPM4-based-on-TCGA-data-and-single-cell-data-in-BLCA/blob/main/code.
1. הכנת נתוני טרנסקריפטומיקה
2. הכנת ניתוח תא יחיד
3. הכנת תת-הסוגים המולקולריים של BLCA ותגובה לנתוני בחירות טיפוליות
4. ניתוח מיקרוסביבה חיסונית BLCA של TRPM4
5. ניתוח תא יחיד של TRPM4 במאגר הנתונים GSE145281
6. 101 למידת מכונה לבניית מודל פרוגנוסטי הקשור ל-TRPM4
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
ידוע היטב שהיתרון המרכזי בשימוש בטרנסקריפטומיקה לניתוח מיקרו-סביבה חיסונית עבור גנים בודדים הוא שהיא מאפשרת מתאם ישיר בין גנים בודדים לאינטראקציות הדינמיות עם תאי ומולקולות החיסון ברמת ביטוי הגנים, מה שמאפשר תצפית ישירה על תכונות החיסון וזיהוי הבדלים בשיעור תאי החיסון החודרים בין קבוצות עם ביטוי גבוה/נמוך של גנים בודדים או שינויים בביטוי מולקולות נקודת ביקורת חיסונית18. התוצאות המייצגות של ניתוח ביואינפורמטיקה הן אלו הקשורות לניתוח מיקרו-סביבה חיסונית ומולקולות חי...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
במחקרים קודמים, ניתוח ביואינפורמטיקה של גנים בודדים נתקל לעיתים קרובות בבעיות כמו שטחיות, חוסר דיוק ויישום מוגבל19. יתרה מזאת, מחקרים קודמים על גנים בודדים התמקדו בדרך כלל בנתוני טרנסקריפטום. יתרה מזאת, כאשר מתמקדים אך ורק בנתוני טרנסקריפטום, עלולות להיווצר בעיות כמו הטרוגניות ואקראיות במדגם, מה שמקשה על זיהוי דפוסים אוניברסליים20. לכן, כדי להתמודד עם הבעיות שהוזכרו, הוצגו נתוני תא יחיד להבנה טובה יותר של התפקיד הקריטי של גנים בודדים ברמת ה...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
המחברים מצהירים שאין ביניהם ניגוד עניינים.
אנו רוצים להודות לקונסורציום האינפורמטיקה של BioBean על פיתוח מסגרת אנליטית חכמה (זמינה בכתובת http://www.sxdyc.com/). התשתית החישובית החדשנית שלהם האיצה משמעותית את תהליך המחקר באמצעות ניתוח מדויק ומודולים אוטומטיים לפרשנות נתונים.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| R 4.3.3 | אין | אין | אין |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה
בקש הרשאה