זרימת עבודה מבוססת אינטרנט לבחירת משפרים ספציפיים לגנים ולרקמות
18 ביולי 2025
אנו מציגים זרימת עבודה ללא קידוד עבור ביולוגים לזיהוי משפרי גנים ספציפיים לרקמות באמצעות כלים מבוססי דפדפן בלבד. הפרוטוקול שלנו ממנף סימני היסטון ציבוריים H3K4me1/H3K27ac ונתוני Hi-C, ומאפשר לחוקרים ללא מומחיות בתכנות לגשת, לנתח ולזהות אלמנטים רגולטוריים פוטנציאליים הקשורים לגנים המעניינים שלהם.
אנו מעוניינים לפענח את הגנום הלא מקודד כדי להבין כיצד גנים מווסתים, כדי להתבטא בזמן הנכון ובמקום הנכון. אנו מפתחים פרוטוקולים ידידותיים למשתמש באמצעות כלי גנומיקה מבוססי אינטרנט כדי להנגיש גילוי משופר לכל הביולוגים. זמינות רחבה של נתונים רב-מודאליים שיכולים לעזור לצמצם את מיקום המשפרים ואת הגישה הקלה לנתונים אלה באמצעות ממשקי אינטרנט בקוד פתוח.
זה מאפשר זיהוי מקיף של משפרים מבלי לדרוש מומחיות בתכנות מחוקרים. פרוטוקול זה מספק בסיס לכל מי שאין לו רקע בביולוגיה משפרת להתחיל לנווט במערכי נתונים זמינים לציבור כדי לאחזר משפרים עבור הגנים המעניינים. אנו משתמשים ב-TBX5, שחקן ידוע בביולוגיה של הלב, כמקרה מבחן.
זרימת העבודה שלנו זיהתה 21 משפרים, שעשויים לשפוך אור על מנגנוני התפתחות הלב ומחלות לב מולדות. נרחיב את הפרוטוקול שלנו עם מקורות נתונים חדשים, כולל גנומיקה מרחבית, תוך פיתוח כלים נוספים ידידותיים למשתמש עבור ביולוגים. כדי להתחיל, פתח את דפדפן הגנום של אנסמבל.
בחר את מכלול הגנום התואם את המין והגרסה המעניינת. הזן את הגן המעניין בשדה החיפוש ולחץ על Go.מהתוצאות, לחץ על מזהה הגן המתאים של אנסמבל.לאחר מכן גלול לקטע סיכום ולחץ על הקישור אזור בפירוט כדי לדמיין את האזור הסובב את הגן המעניין. כעת, חפשו את שני הגנים המאגפים את הגן המעניין באמצעות מסלול Gene Legend.
גנים אלה מופיעים כאלמנטים חזותיים המייצגים הערות אנסמבל והוואנה ממוזגות בתוך הערות הגנים הבסיסיות ממסלול GENCODE. קבע את כיווניות הגן המעניין על ידי התבוננות בסימנים הגדולים או הקטנים לצד שמות הגנים. לחץ וגרור את הסמן על פני האזור הבין-גני בין גנים אלה, ולאחר מכן לחץ על קפוץ לאזור" בתיבה הקופצת כדי להציג את האזור הנבחר.
התאם אישית את התצוגה על ידי לחיצה על "הוסף" או הסר רצועות" בחלק העליון של מציג הרצועות. השתמש בפקדי הזום והניווט כדי להתאים את התצוגה לתצוגה חזותית משופרת של האזור. במציג הכרטיסייה אזור בפירוט, לחץ על הגדר דף זה" בסרגל הצד.
בסרגל הצד של הגדרת תמונת אזור, תחת רגולציה, בחר פעילות לפי תא או רקמה. השתמש בסרגל חיפוש התאים או הרקמות כדי למצוא ולבחור את הרקמות הרצויות, או השתמש באינדקס האלפביתי מתחת לסרגל. לחץ על הכרטיסייה "ניסויים" הסמוכה לאפשרות תא או רקמה.
בחרו ב-H3K4me1 וב-H3K27ac כסמן עבור משפרים וב-H3K4me3 כסמן למקדמים ולחצו על Configure Track Display. לאחר מכן, בחר הצג מסלולים"כדי לדמיין אזורים המסומנים על ידי H3K4me1 בתוך אזור זיהוי המשפר ואזורים המסומנים על ידי H3K4me3 במעלה הזרם של הגן המבוקש. לחץ על האלמנטים החזותיים או התיבה הצבעוניים במסלול H3K4me1 כדי לאחזר את הקואורדינטות הגנומיות של אזורים המסומנים באזור הזיהוי המוגדר.
זה פותח את החלון הקופץ Hists and Pols, המציג את המיקום הגנומי של היסוד בזוגות בסיסים. לחלופין, הגדר ידנית את אזורי העניין עבור כל תכונה גנומית על ידי לחיצה וגרירה על המסלול כדי לסגור את פסגות הגרף תחת מסלולי H3K4me1 או H3K27ac. לאחר מכן העתק את קואורדינטות המיקום הגנומי לקובץ טקסט ושמור את הקובץ בפורמט BED.
גש לפורטל הנתונים של 4DN. בדף הבית, ודא ש-Experiment Sets"נבחר כציר ה-Y של הסרגל המוערם הראשי, סוג הניסוי"נבחר כציר ה-X, והעלילה מקובצת לפי אורגניזם. אתר את סרגל ה-Hi-C באתרו לאורך ציר ה-X ולחץ על החלק המייצג ערכות ניסויים בבני אדם.
בחלון הקופץ, לחץ על כפתור "עיון" ובחר מיובלסטים של שריר הלב" והגן המעניין שלנו, TBX5, הקשור לאורגנוגנזה של הלב. לחץ על הקישור בעמודה "כותרת" של הדגימה הביולוגית הרלוונטית המתאימה לרקמה המעניינת. לאחר מכן, בכרטיסייה קבצים מעובדים", לחץ על חקר נתונים" כדי לבחון את מערך הנתונים Hi-C ביתר פירוט.
הזן את הקואורדינטות של המקדם המזוהה ברקמה המעניינת ולחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על מפת החום כדי לסמן את האזור אופקית. קווים אלה מאפשרים מעקב חזותי אחר אזור המקדם על פני מפת החום. במידת הצורך, התאם את התצוגה על-ידי גרירתה אנכית עד שהגבולות העליונים והתחתונים בקואורדינטות Y של סרגל החיפוש יתיישרו עם גבולות אזור העניין.
כדי להסיר קווים לא רצויים, לחץ/י באמצעות לחצן העכבר הימני על הקו ובחר/י ״אופקי״ או ״כלל אנכי״ ולאחר מכן לחץ/י על ״סגור סידרה״. הזן את הקואורדינטות של כל משפרי הבקרה המאומתים בניסוי כדי לחשב את סף האינטראקציה על סמך ערכי האינטראקציה המינימליים שלהם. הצג את שלושת משפרי הבקרה מהספרות לצד אזור המקדם מאנסמבל באמצעות התצוגה המוכנה מראש.
לאחר מכן הגדר את סף משפר המקדם באמצעות משפרי בקרה אלה על ידי בחירת ציון האינטראקציה הנמוך ביותר שאינו אפס כפי שמצוין על ידי מקש הצבע בצד ימין של מטריצת מפת החום. הזן את הקואורדינטות הגנומיות של כל אזורי המשפרים הקשורים ל-H3K4me1 וסמן אנכית על מפת החום של Hi-C. סנן אזורים בעלי אינטראקציה חלשה על ידי השוואת ציוני האינטראקציה של אזורים המסומנים ב-H3K4me3 מול סף האינטראקציה.
בחר את הקואורדינטות הגנומיות המציגות תדרי אינטראקציה מעל סף זה, המופיעים כאותות מרוכזים או כהים יותר על מפת החום, ושמור אותם בפורמט BED. שלושה מתוך ארבעת משפרי הלב שזוהו בדפדפן משפר הלב של VISTA, HS2329, mm1282 ו-mm370, חפפו לאזורים שנחזו על ידי פרוטוקול זיהוי המשפרים מבוסס האינטרנט. משפר 2 חפף הן לאזור שנחזה על ידי פרוטוקול זיהוי המשפר והן למשפר מאומת בניסוי.
משפר 16 הראה חפיפה הן עם אזורי המשפר החזויים והן עם נתוני ניסוי קודמים. Enhancer Nine לא חפף לאף משפר חזוי מהצינור, אך הראה העשרה חלקית של אות H3K4me1.
סקירה
מאמר זה מציג תהליך ללא קידוד לזיהוי מגברי גנים ספציפיים לרקמות באמצעות כלים מבוססי דפדפן. הפרוטוקול משתמש בסימני היסטון ציבוריים ונתוני Hi-C, מה שהופך אותו לנגיש לביולוגים ללא מיומנויות תכנות.
רכיבי מחקר עיקריים
תחום המדע
- גנומיקה
- ויסות גנים
- ביולוגיה של מגברים
רקע
- הגנום הלא-מקודד ממלא תפקיד מכריע בוויסות גנים.
- פרוטוקולים ידידותיים למשתמש חיוניים עבור ביולוגים כדי לגשת לנתונים גנומיים.
- נתונים רב-מודאליים זמינים לציבור מסייעים בזיהוי מגברים.
- TBX5 הוא גן מרכזי בביולוגיה של הלב המשמש כמקרה מבחן.
מטרת המחקר
- לספק בסיס לביולוגים לנווט בערכות נתונים ציבוריות.
- לשפר את גילוי מגברי גנים ללא מומחיות בתכנות.
- לזהות אלמנטים רגולטוריים פוטנציאליים הקשורים לגנים ספציפיים.
שיטות בהן נעשה שימוש
- שימוש בדפדפן הגנום Ensembl לחיפוש גנים.
- זיהוי אזורי מגברים באמצעות סמני H3K4me1 ו-H3K27ac.
- ניתוח נתוני Hi-C לדמיית אינטראקציות ברקמות לבביות.
- שמירת קואורדינטות גנומיות בפורמט BED לניתוח נוסף.
תוצאות עיקריות
- זוהו 21 מגברים הקשורים ל-TBX5.
- שיפור גילוי אלמנטים רגולטוריים ללא ידע בקידוד.
- הוכח חפיפה של מגברים חזויים עם מגברים לבביים ידועים.
- סופק גישה ידידותית למשתמש לזיהוי מגברים.
מסקנות
- התהליך מאפשר זיהוי מגברים לביולוגים.
- הרחבות עתידיות יכללו מקורות נתונים נוספים.
- גישה זו מדמוקרטיזה את הגישה לניתוח נתונים גנומיים.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
Efficient identification of gene- and tissue-specific enhancers is critical for de-risking early discovery and clarifying regulatory mechanisms underlying disease. This web-based workflow enables biopharma teams to systematically map enhancer elements linked to genes of interest, supporting predictive confidence in target validation and functional genomics. By democratizing access to enhancer discovery, the protocol accelerates translational research and portfolio triage for disease-relevant targets.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables systematic interrogation of non-coding regulatory elements for functional target validation.
- Supports mechanistic de-risking by linking enhancer regions to gene expression in specific tissues.
- Facilitates prioritization of candidate regulatory elements for downstream validation.
Screening & Assay Development
- Prepares validated enhancer-gene associations for use in reporter assays and functional screens.
- Standardizes enhancer identification using reproducible, quantitative genomic data.
- Enables scalable, browser-based workflows for rapid candidate evaluation.
Translational & Preclinical Research
- Aligns enhancer mapping with disease-relevant tissues to inform biomarker discovery.
- Provides continuity from genomic discovery to preclinical model development.
- Supports risk-adjusted advancement of regulatory element targets in translational pipelines.
Pipeline & Workflow Integration
This protocol integrates into the discovery continuum from early hypothesis testing through lead identification and preclinical research, leveraging public genomics data for enhancer mapping.
- Discovery Biology: Enables hypothesis-driven identification of regulatory elements influencing gene expression in target tissues.
- Screening: Provides reproducible enhancer coordinates for assay development and compound screening.
- Analytics: Delivers quantitative interaction scores and genomic coordinates for comparative analysis.
- Translational Research: Connects enhancer discovery to disease models and biomarker strategies when tissue specificity is relevant.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable, coding-free workflow for enhancer identification across multiple gene targets.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in regulatory element function and target validation.
- Operational Value: Standardizes enhancer discovery with accessible, web-based tools and public datasets.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by clarifying regulatory mechanisms and reducing biological ambiguity.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of gene targets based on regulatory landscape insights.
Implementation Considerations
- Requires genomics expertise to interpret histone mark and Hi-C data outputs.
- Needs access to web-based genomics browsers and public data repositories.
- Demands cross-team standardization for data formatting and coordinate reporting.
- Adaptation may be needed for different species or tissue types based on data availability.
- Dependent on the quality and resolution of public histone mark and chromatin conformation datasets.
