ここでは、Rを用いてmiRNA-Seqデータを解析するプロトコルを提示します。このワークフローにより、研究者はmiRNA制御ネットワークと、さまざまな生物学的および臨床的問題におけるその重要性を探ることができます。この研究は、miRNAバイオインフォマティクスの分野の初心者と経験豊富な研究者の両方にとって実践的なガイドとして機能することを目的としています。
方法論記事
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ここでは、Rを用いてmiRNA-Seqデータを解析するプロトコルを提示します。このワークフローにより、研究者はmiRNA制御ネットワークと、さまざまな生物学的および臨床的問題におけるその重要性を探ることができます。この研究は、miRNAバイオインフォマティクスの分野の初心者と経験豊富な研究者の両方にとって実践的なガイドとして機能することを目的としています。
マイクロRNA(miRNA)は、幅広い生理学的および病理学的プロセスに影響を与える重要な転写後調節因子です。ハイスループットシーケンシング技術の進歩に伴い、miRNA-Seq は miRNA 発現パターンをプロファイリングするための強力なツールとして登場しました。ただし、このようなデータを確実に解釈するには、標準化された再現性のある分析パイプラインが必要です。ここでは、Rを用いたmiRNA-Seqデータ処理とバイオインフォマティクス解析の検証済みワークフローを紹介します。このプロトコルには、生データの前処理、品質管理、アライメント、定量化、正規化、差次発現分析、標的予測、機能強化、調節ネットワーク構築など、すべての重要なステップが含まれています。柔軟性と透明性を考慮して設計されたこのワークフローは、広く採用されている R パッケージを統合し、種固有の注釈とモジュール式のカスタマイズをサポートします。さらに、ユーザーは、キュレーションされたデータベースや Cytoscape などの視覚化ツールを活用して、下流の生物学的解釈を行うようにガイドされます。このプロトコルは、堅牢な統計分析をサポートするだけでなく、miRNA-mRNA 相互作用と疾患メカニズムにおけるそれらの役割についての有意義な洞察を可能にします。これは、miRNAバイオマーカーの発見、疾患モデリング、または統合的なマルチオミクス研究を行う初心者と経験豊富な研究者の両方に特に適しています。
マイクロRNA(miRNA)は、転写後のステージ1で作用することにより、遺伝子発現に大きな影響を与える短いノンコーディングRNA分子です。これらは通常、標的メッセンジャーRNA(mRNA)の3'非翻訳領域(UTR)の相補配列に結合することによって機能し、mRNAの分解または翻訳抑制を引き起こします1。過去20年間で、miRNAは、細胞増殖、分化、アポトーシス、免疫応答、臓器発生など、さまざまな生物学的プロセスの中心的な調節因子としてますます認識されています2。さらに、miRNA発現の調節不全は、がん、心血管疾患、神経疾患、腎臓病などの多くの疾患の病因に関与しています3。これらの発見は、miRNA が治療標的としてだけでなく、臨床診断における低侵襲バイオマーカーとしてもの可能性を浮き彫りにしています。
次世代シーケンシング (NGS) 技術の出現により、miRNA の研究は新しい時代に突入しました。既知のmiRNAに限定されるマイクロアレイベースの方法とは異なり、miRNAシーケンシング(miRNA-Seq)は、さまざまなサンプルタイプと条件にわたって、既知のmiRNAと新規のmiRNAの両方を包括的でハイスループットかつ偏りのないプロファイリングを可能にします4。miRNA-Seqは、優れた感度、精度、ダイナミックレンジを提供するため、生理学的および病理学的設定におけるmiRNA発現パターンを調査し、調節メカニズムを発見するための好ましい方法となっています5。ただし、miRNA-Seqデータの分析には、短いリード長の処理、アダプター配列の除去、密接に関連するmiRNAファミリーメンバーの区別、リードカウントの高い冗長性の管理など、特定の計算上の課題があります6。これらの特性により、慎重に設計され標準化された分析ワークフローが必要です。
miRNA-Seqデータ解析のためにさまざまなパイプラインやソフトウェアツールが開発されていますが、その多くはグラフィカルユーザーインターフェイスや固定ワークフローに依存しており、柔軟性と再現性が制限されています7。対照的に、Rプログラミング環境は、バイオインフォマティクス分析のための強力でカスタマイズ可能なプラットフォームを提供します8。R は、統計モデリング、データ視覚化、生物学的データベースとの統合のためのパッケージの豊富なエコシステムを提供します。これにより、ユーザーは透過的でスクリプトベースの方法で包括的で再現性のある分析を行うことができます。さらに、R ワークフローのモジュール性により、研究者は生データの前処理から機能解釈まで、特定の実験要件に従って各ステップを調整できます。
このプロトコルでは、miRNA発現データを扱う研究者に再現性とユーザー適応性のあるソリューションを提供することを目的として、完全にRで実装された検証済みの完全なmiRNA-Seq解析ワークフローを提示します。ワークフローは、生のシーケンシングリードの品質管理とアダプタートリミングから始まり、リファレンスゲノムまたは既知のmiRNA配列へのアライメントが続きます。その後のステップには、リードカウントの定量化、正規化、差次発現解析、標的遺伝子予測、機能強化、ネットワークの視覚化が含まれます。このワークフローには、広く使用され、適切に管理されているいくつかの R パッケージが組み込まれており、信頼性と将来のアップデートや拡張機能との互換性の両方が確保されています。
このプロトコルの中核的な強みの 1 つは、差次的な発現結果を超えて、有意義な生物学的解釈を提供できることにあります。検証および予測されたmiRNA-mRNA相互作用のキュレーションされたデータベースを統合することにより、このワークフローにより、ユーザーは生物学的に関連する標的遺伝子を同定できます。次に、これらの標的を遺伝子オントロジーと経路濃縮分析にかけ、影響を受ける生物学的プロセスと分子経路を明らかにすることができます。最後のステップでは、Cytoscape9などの外部ツールを使用してmiRNA-mRNA相互作用ネットワークを視覚化し、規制状況に関する洞察を提供し、機能的に重要な重要な主要なハブmiRNAを特定できます。
この方法は、循環miRNAが診断と予後の有望なバイオマーカーとして機能する腎臓病の研究を含む臨床研究の文脈で成功裏に適用されています10。ただし、ワークフローのモジュール式で柔軟な設計により、疾患モデリング、薬物反応研究、発生生物学、比較ゲノミクスなどの幅広いアプリケーションに適しています。研究者は、種固有のアノテーション、実験条件、またはオミクスデータの追加層に合わせてワークフローを簡単に適応させることができます。
オープンソースのスクリプトベースのソリューションを提供することで、このR中心のパイプラインは、カスタマイズの制限、不透明なグラフィカルインターフェイスへの依存、非モデル生物のサポートの欠如、バージョン管理の欠如による再現性の低さ、下流の統計および機能分析フレームワークとの統合の難しさなど、既存のmiRNA-Seqツールに関連するいくつかの主要な制限に対処します。これにより、データ処理パラメータを完全に制御でき、バージョン管理されたコードを通じて再現性が促進され、バイオインフォマティクス研究の透明性が促進されます。システム生物学やトランスレーショナルメディシンの文脈でmiRNAの重要性が高まるにつれ、信頼性が高く適応性のある分析フレームワークへのアクセスがますます重要になっています。
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メモ: ソフトウェアリンクのある材料は、 材料表にリストされています。
1. RNAサンプルと配列ライブラリーを調製する
注:この計算ワークフローの外部でRNA抽出とシーケンスを実行します。miRNAシーケンシングデータを解析する方法は複数あります。このセクションでは、1つの実用的なコンテキストを提供します。
2. 生リードの前処理と品質管理の実行
cutadapt -a XXXX -o trimmed_reads.fastq raw_reads.fastqfastqc trimmed_reads.fastq3. 読み取りをマッピングし、カウント マトリックスを生成する
wget ftp://mirbase.org/pub/mirbase/CURRENT/mature.fabowtie-build reference.fa reference_indexbowtie -v 0 -a --best --strata reference_index trimmed_reads.fastq > aligned_reads.samsamtools view -S -b aligned_reads.sam > aligned_reads.bamsamtools sort aligned_reads.bam -o aligned_reads_sorted.bam
samtools index aligned_reads_sorted.bamfeatureCounts -a miRNA.gtf -o counts.txt aligned_reads.bam4. Rで差次発現解析を行う
library(DESeq2)
countData <- read.csv("counts.csv", row.names=1)
colData <- read.csv("metadata.csv", row.names=1)
dds <- DESeqDataSetFromMatrix(countData = countData, colData = colData, design = ~ condition)dds <- DESeq(dds)vsd <- vst(dds, blind=FALSE)plotPCA(vsd, intgroup="condition")res <- results(dds)
resOrdered <- res[order(res$pvalue), ]summary(res)sig_miRNA <- subset(res, pvalue < 0.05 & abs(log2FC) > 1)library(EnhancedVolcano)
EnhancedVolcano(res,
lab = rownames(res),
x = 'log2FoldChange',
y = 'pvalue',
title = 'Differentially Expressed miRNAs')5. miRNAの標的遺伝子を予測する
library(multiMiR)
target_results <- get_multimir(mirna = c("hsa-miR-21-5p"), table = "validated")genes <- unique(target_results@data$target_symbol)6. 機能濃縮分析の実施
library(clusterProfiler)
library(org.Hs.eg.db)ego <- enrichGO(gene = genes,
OrgDb = org.Hs.eg.db,
keyType = "SYMBOL",
ont = "BP",
pAdjustMethod = "BH",
pvalueCutoff = 0.05)
dotplot(ego)ekegg <- enrichKEGG(gene = genes, organism = 'hsa')
dotplot(ekegg)7. miRNA-mRNA相互作用ネットワークの構築と視覚化
write.csv(miRNA_target_pairs, "network.csv")アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。
GSE133530からマイクロRNA発現マトリックスをダウンロードし、直接差次発現解析を行いました。 補足ファイル 1 のデータセットの分析 R スクリプトの例を提供しました。データセットは、4つのPKD1多発性嚢胞腎から、異なるサイズの16の腎嚢胞(最小嚢胞:1〜5 mL未満、n = 10、中程度の嚢胞:10〜25 mL、n = 4、大きな嚢胞:50 mL以上、n = 4)および最小嚢胞組織(MCT、n = 7、1複製を含む)でグローバルmiRNAプロファイリングを実行しました。さらに、単離性腎細胞癌と診断された 3 つの腎摘出検体から悪性腫瘍のない腎皮質組織が得られ、正常対照として機能しました (n = 4)。最も明らかに変化したmiRNAを見つけるために、小、中、大の嚢胞のサンプルと正常な対照組織を比較しました。 図1A が示すように、ADPKDサンプルからのmiRNA発現パターンは、対照サンプルのmiRNA発現パターンとは明らかに異なります。その後、バイオアナライザーツー...
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miRNA-Seqデータの分析には、リードのサイズが小さく冗長であるため、明確な課題があり、厳格な品質管理と前処理が重要になります。ワークフローで最も重要なステップの 1 つは、アダプターのトリミングです。miRNAの長さは約22ヌクレオチドであるため、適切に除去しないと、アダプター配列がリードを支配しやすくなります。正確なトリミングを実行しないと、誤検知リードの位置ずれや膨張が発生する可能性があります。同様に、マッピングの精度を損なう可能性のある低品質のベースを排除するために、アライメントの前に品質フィルタリングを実装する必要があります。マッピングと定量化は、もう一つの重要な段階です。リードがエクソンにまたがることが多い標準的なmRNA-Seqデータとは異なり、miRNAリードはコンパクトであり、既知のmiRNA遺伝子座と完全に一致する必要があります。厳密なパラメータでBowtieを使用すると、特にmiRBaseなどのデータベースから成熟したmiRNA配列にマッピングする場合に、正確なアライメントが保証されます。ゲノムへのアライメントとmiRBaseインデックスのどち...
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著者らは、競合する利益はないと宣言している。
私たちは、このプロジェクトを支援している資金提供機関と協力者に感謝します。上海科学技術革新行動計画 (22Y11905500、24142201800)、人民解放軍海軍第 905 病院の制度プロジェクト (2024Q021)、長寧区衛生委員会の青少年研究プロジェクト (2024QN29)、海軍軍医大学の研究プロジェクト (2024QN040)。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| Agilent-021827 ヒトmiRNAマイクロアレイ | アジレント | / | ヒトサンプルのマイクロRNAプロファイリングのための市販アレイ |
| ボウタイ | ジョンズ・ホプキンス大学 | http://bowtie-bio.sourceforge.net/index.shtml | シーケンシングリードを長いリファレンス配列にアライメントするためのソフトウェアツール |
| clusterProfiler (R パッケージ) | 生体伝導体 | https://bioconductor.org/packages/clusterProfiler/ | 機能濃縮解析とハイスループット生物学的データの可視化用に設計されたRパッケージ。 |
| カットアダプト | オープンソース | https://cutadapt.readthedocs.io | ハイスループットシーケンシングリードからアダプター配列、プライマー、ポリAテール、その他の不要なフラグメントを削除するコマンドラインツール。 |
| サイトスケープ | サイトスケープコンソーシアム | https://cytoscape.org/ | 複雑な生物学的ネットワークの視覚化と分析のために設計されたオープンソースのソフトウェアプラットフォーム。 |
| DESeq2 (R パッケージ) | 生体伝導体 | https://bioconductor.org/packages/DESeq2/ | カウントデータの遺伝子発現差解析用に設計されたRパッケージ |
| EnhancedVolcano(Rパッケージ) | 生体伝導体 | https://bioconductor.org/packages/EnhancedVolcano/ | 出版品質の火山プロットを作成するために設計された R パッケージ。 |
| ファストQC | バブラハムバイオインフォマティクス | https://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/projects/fastqc/ | ハイスループットシーケンシングデータ用のオープンソース品質管理ツール。 |
| featureCounts (機能カウント) | サブリード / SourceForge | http://subread.sourceforge.net/ | ゲノム特徴にマッピングされたリードをカウントするために使用されるプログラム |
| HTSeqカウント | Python パッケージ | https://htseq.readthedocs.io | 遺伝子やエクソンなどのゲノム特徴と重複するアライメントされたハイスループットシーケンシングリードの数をカウントするコマンドラインツール。私 |
| イルミナヒトv2マイクロRNA発現ビーズチップ | イルミナ | / | ヒトサンプルのマイクロRNAプロファイリングのための市販アレイ |
| multiMiR(Rパッケージ) | 生体伝導体 | https://bioconductor.org/packages/multiMiR/ | 予測および実験的に検証されたマイクロRNA&ndashの最大の統合コレクションを提供するRパッケージ。相互作用を、病気や薬物との関連とともに標的にします。 |
| 組織。Hs.eg.db (R パッケージ) | 生体伝導体 | https://bioconductor.org/packages/org.Hs.eg.db/ | ヒト(ホモ・サピエンス)ゲノミクス研究用に設計されたアノテーションパッケージ |
| R ソフトウェア | Rプロジェクト | https://www.r-project.org/ | 統計コンピューティングのためのオープンソースプロジェクト |
| Rstudio スタジオ | ポジットPBC | / | 統合開発環境は、R と Python の生産性を高めるのに役立ちます |
| SAMツール | オープンソース | http://www.htslib.org/ | 次世代シーケンシング(NGS)データを操作するためのソフトウェアパッケージ。 |
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