여기서는 네트워크 모델링 도구인 NetDecoder를 사용하여 상황에 맞는 단백질 상호작용 네트워크를 구축하고 유전자 유틸리티 모델(GUM)을 구축하는 프로토콜을 제시합니다. 전사체 데이터를 활용하고 큐레이티드 단백질-단백질 상호작용(PPI) 네트워크를 결합하여 NetDecoder는 주요 표적과 서브네트네트워크를 식별할 수 있게 합니다.
이 콘텐츠를 보려면 JoVE 구독이 필요합니다. 로그인하거나 오늘 무료 평가판을 시작하세요.
방법 논문
여기서는 네트워크 모델링 도구인 NetDecoder를 사용하여 상황에 맞는 단백질 상호작용 네트워크를 구축하고 유전자 유틸리티 모델(GUM)을 구축하는 프로토콜을 제시합니다. 전사체 데이터를 활용하고 큐레이티드 단백질-단백질 상호작용(PPI) 네트워크를 결합하여 NetDecoder는 주요 표적과 서브네트네트워크를 식별할 수 있게 합니다.
차별 발현 분석은 잠재적 치료 표적을 결정하는 데 흔히 사용되는 기법이지만, 생물학적 경로 전반에 걸친 유전자 네트워크의 복잡성을 간과합니다. 종종 고발현된 유전자가 생물학적 표현형의 특성을 반드시 설명하지 못합니다. NetDecoder는 전사체 데이터를 단백질-단백질 상호작용(PPI) 네트워크와 통합하여 맥락 특이적 정보 흐름, 유전자 유용성, 주요 엣지 및 차등 활용 유전자 네트워크를 모델링하는 네트워크 생물학 도구로, 차별 발현 분석의 한계를 해결하기 위해 개발되었습니다.
이 프로토콜은 초보자 친화적인 단계별 NetDecoder 사용법 가이드로, 데이터 전처리, NetDecoder 실행, 출력 분석에 대한 포괄적인 가이드를 제공합니다. 워크플로우에는 유전자(노드) 및 유전자-유전자 상호작용(엣지 수준) 차이를 정량화하기 위한 소프트웨어 구성, 네트워크 구축, 흐름 기반 모델링 분석이 포함됩니다. 결과물에는 핵심 표적과 라우터, 차등 흐름 서브네트워크, 엣지 플로우 분포가 포함되어 특정 생물학적 상태와 관련된 주요 조절 유전자와 경로를 식별할 수 있게 합니다. 제시된 단계를 따르면 연구자들은 전사체 데이터와 엄선된 PPI 네트워크를 활용해 표현형 간 표현형 유전자 흐름을 독립적으로 밝혀낼 수 있을 것입니다.
유전자와 치료 연구를 위한 관련 경로의 선정은 종종 차별발현분석에 의해 주도됩니다. 이 분석 방법은 두 가지 이상의 조건 간 유전자 발현의 차이를 효과적으로 파악합니다. 하지만 유전자는 복잡하고 상호 연결된 생물학적 네트워크 내에서 기능하기 때문에, 개별 유전자 발현만으로는 네트워크 내에서 유전자들이 어떻게 상호작용하는지와 그 유전자-유전자 관계를 완전히 포착하지 못합니다2. 네트워크 전파 방법은 유전자 발현과 상호작용 네트워크를 통합하여 차별 발현만으로는 놓칠 수 있는 생물학적으로 중요한 유전자를 식별합니다. 현재의 접근법은 유전자의 기능적 중요성과 생물학적 정보가 생물학적 조건 전반에 걸쳐 단백질-단백질 상호작용(PPI) 네트워크 내에서 어떻게 재분배되는지를 명확히 정량화하지 않고 있습니다. 따라서 조건별 네트워크 행동을 모델링하고 생물학적 시스템 전반에 걸친 정보 흐름 변화를 정량화하는 방법이 필요했습니다. 유전자가 더 넓은 생물학적 네트워크 내에서 어떻게 상호작용하는지 설명하기 위해, 네트워크 생물학 플랫폼인 NetDecoder가 개발되어 조건 간 정보 흐름 차이가 가장 큰 유전자를 발견했습니다. NetDecoder는 프로세스 유도 흐름 알고리즘을 사용하여 인간 PPI 네트워크에 대한 기존 지식을 변환하고, 대량 RNA 시퀀싱 데이터를 결합하여 정보 흐름 기반 상호작용 모델을 구축합니다.
표현형 네트워크를 위한 정보 흐름 데이터를 이용하여, 정보 흐름이 높은 유전자를 발현 값과 관계없이 네트워크 내에서 가장 높은 유전자 유용성을 가진 유전자를 식별하는 유전자 효용 모델(GUM)5를 개발할 수 있습니다. 이 접근법은 보다 효과적인 목표 우선순위 지정 전략과 식별을 지원하며, 전통적인 분석이 종종 놓치는 통찰을 제공합니다. 기존의 차별 발현 또는 상관관계 기반 네트워크 방법과 달리, NetDecoder는 유전자(노드 수준)와 상호작용(엣지 수준) 정보 흐름 변화를 모두 정량화하여, 큰 발현 변화가 없더라도 기능적으로 중요한 유전자를 식별할 수 있게 합니다 4,5. NetDecoder는 두 생물학적 상태 간의 비교 분석이 필요한 대량 RNA 시퀀싱 데이터셋에 널리 적용할 수 있으며, 정보 흐름과 네트워크 조직의 변화를 식별할 수 있습니다. NetDecoder는 프로테오믹스와 후생유전체학 등 다른 오믹스 데이터셋의 통합을 지원하지만, 본 프로토콜은 전사체 데이터를 이용한 워크플로우를 구체적으로 시연합니다. 이러한 응용 프로그램에서는 단백질이나 후생유전학적으로 조절된 유전자를 기반으로 소스 유전자를 정의할 수 있어, 이러한 분자 특징으로부터 정보 흐름 분석을 시작할 수 있습니다. 이러한 유연성은 다중 오믹스 증거를 네트워크 기반 분석에 통합할 수 있게 하며, 표현형 차이의 근본적인 교차 모달 조절 메커니즘 발견을 촉진합니다.
일반적인 연구 설계는 질병과 건강한 상태, 치료 반응자와 비반응자, 약물 치료, 녹다운 또는 녹아웃 대 대조군 실험, 발달 또는 세포 상태 전이 분석 등 이분법 비교를 포함합니다. 이 프로토콜의 목표는 생물학적 조건 전반에 걸쳐 네트워크 영향이 변화된 유전자를 발견하기 위해 NetDecoder를 적용하는 재현 가능한 프레임워크를 보여주는 것입니다. 이는 NetDecoder 설정 및 실행을 위한 쉽게 따라할 수 있는 단계, 기본 문제 해결 기법, 결과 해석 방법도 프로토콜에 안내되어 있습니다.
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
이 연구는 공개된 RNA 시퀀싱 데이터셋을 사용했으며, 인간이나 동물 대상자를 직접 참여시키지 않았습니다. 따라서 기관 심사위원회의 승인과 사전 동의는 필요하지 않았습니다.
참고: NetDecoder는 다음 입력 파일을 요구합니다: 두 가지 정의된 생물학적 조건에 걸친 정규화된 유전자 발현; 생물학적 조건을 설명하는 메타데이터 파일; 네트워크 구축 및 모델링을 위한 출처 유전자 목록; 공개된 단백질-단백질 상호작용(PPI) 네트워크; 그리고 각 생물학적 조건에 맞게 구축된 엣지 가중 네트워크(EWN)가 있습니다.
1. 데이터 준비
2. NetDecoder 설치 및 구성
3. NetDecoder 실행
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
그림 1에서 보듯, NetDecoder는 데이터 처리, 네트워크 구성, 플로우 기반 분석으로 구성된 구조화된 워크플로우를 통해 작동하며, 출력은 파이프라인의 각 단계에 대응하는 별도의 디렉터리로 조직됩니다. 이 모듈식 구조는 산출물의 체계적인 검증을 가능하게 하여 결과가 각 계산 단계까지 추적될 수 있도록 하고 전반적인 재현성을 지원합니다.
NetDecoder(그림 2)의 성공적인 실행은 네 개의 디렉터리 (분석, 수집, 네트워크, "your_shortname") 에 걸쳐 다양한 조건에 대응하는 데이터를 담은 출력을 생성하며, 여기에는 흐름 값, 서브네트워크, 기타 흐름-상호작용 출력에 대한 도표 및 정량적 출력이 포함됩니다(
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
이 프로토콜은 유전자 발현 데이터를 단백질-단백질 상호작용(PPI) 네트워크와 통합하여 조건별 정보 흐름을 모델링하고 생물학적 시스템 내 기능적 영향에 따라 유전자 우선순위를 정하는 네트워크-생물학 프레임워크인 NetDecoder의 구현을 개략적으로 설명합니다. 이 방법의 성공적인 적용은 여러 중요한 단계, 신중한 방법론적 선택, 그리고 결과물의 적절한 해석에 달려 있습니다.
프로토콜의 초기 단계는 표현식 데이터 검색, 메타데이터 생성, 통합 표현 행렬 구축을 포함합니다. 이 단계들은 하위 분석과의 호환성을 보장하는 데 매우 중요합니다. 발현 행렬은 유전자를 행으로, 샘플을 열로 구성해야 하며, 행렬 내 샘플 이름과 메타데이터 파일이 동일하게 일치해야 합니다. 이 단계에서 발생하는 불일치(예: 샘플 식별자 불일치나 유전자 이름 중복)는 파이프라인을 통해 전파되어 이후 단계에서 실패로 이어집니다.
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
저자들은 재정적 이해관계가 상충하지 않습니다.
그림 1과 2의 일러스트는 BioRender(BioRender.com)로 제작되었습니다.
이 연구는 메이요 클리닉 생의학 발견 센터, 메이요 클리닉 종합 암 센터(NIH; P30 CA015083), 메이요 클리닉 위장병학 세포 신호전달 센터(NIH: P30DK084567), 글렌 의학 연구 재단, V 암 연구 재단(S.Z.), 메이요 클리닉 영양 비만 연구 프로그램, 데이비드 F. 및 마가렛 T. 그로네 암 면역학 및 면역치료 프로그램, 슈미트 사이언스, 혁신 및 국립보건원(NIH; U19AG74879, P50CA136393, R01CA240323, R03OD038392).
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| AnnotationDbi | Bioconductor | 버전 1.68.0 | 어노테이션 및 유전자 매핑 |
| Bioconductor | Bioconductor | 버전 3.19 | DESeq2, edgeR, limma, AnnotationDbi, 및 유기체 데이터베이스를 지원하는 전사체 데이터 분석 및 패키지 생태계 프레임워크 |
| Cytoscape | The Cytoscape Consoritum | 버전 3.10.4 | 네트워크 시각화 및 분석 |
| DESeq2 | Bioconductor | 버전 1.46.0 | 부정 이항 모델링을 통한 차등 발현 분석 |
| dplyr | Posit Software, PBC formerly RStudio, PBC | 버전 1.1.4 | 데이터 조작 및 변환 |
| edgeR | Bioconductor | 버전 4.4.2 | 카운트 기반 차등 발현 분석 |
| ggplot2 | Posit Software, PBC formerly RStudio, PBC | 버전 4.0.0 | 데이터 시각화 및 플로팅 |
| GNU Bash | GNU Project | 시스템 기본값 | Bash, NetDecoder 파이프라인 스크립트 실행 |
| igraph | igraph Development Team | 버전 2.1.4 | 네트워크 구성 및 그래프 분석 |
| Limma | Bioconductor | 버전 3.62.2 | 유전자 발현 분석을 위한 선형 모델링 |
| NetDecoder | Hu Li Laboratory, Mayo Clinic | (2024 Hu Li Lab) | 정보 흐름 모델링을 통한 상황별 단백질 상호작용 네트워크 구성 |
| org.Hs.eg.db | Bioconductor | 버전 3.20.0 | 인간 유전자 어노테이션 데이터베이스 |
| Oracle JDK | Oracle Corporation | ≥ 버전 1.8 | NetDecoder 실행을 위한 런타임 환경 |
| pheatmap | Raivo Kolde | 버전 1.0.13 | 발현 및 상관 구조 시각화 |
| R | The R Foundation | 버전 4.4.2 | 전사체 및 네트워크 분석을 위한 핵심 환경 |
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
이 논문이 게재되었습니다
동영상 곧 제공