$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Homo sapiens en een aantal belangrijke diersoorten zoals Drosophila melanogaster , Mus musculus en Danio rerio vormen de meerderheid van het huidige en verleden functioneel genomics werk. De snel dalende kosten van high-throughput sequencing technologie bieden echter mogelijkheden voor functionele genomica in niet-model ( aka "neglected" of "underserved") diersoort 1 . Dit is een belangrijke overgang in genomics, omdat niet-modelorganismen vaak economisch relevante soorten vertegenwoordigen ( bijv. Oesters, garnalen, krab) en mogelijkheden bieden om nieuwe fenotypes en biologische systemen te onderzoeken buiten de omvang van die welke in modelvarianten voorkomen.
Hoewel onderverdeelde organismen een aantrekkelijke kans bieden om unieke biologische systemen te onderzoeken, komen verschillende uitdagingen in de gaten voor onderzoekers, vooral tijdens bioinformatische analyse. Sommige van deZie uitdagingen zijn ingewikkeld om grote datasets te verwerken, terwijl anderen het gevolg zijn van het gebrek aan genetische hulpbronnen die beschikbaar zijn voor onderzoekers die werkzaam zijn in onderbediende organismen, zoals een referentiegenoom, organisme-specifieke ontologieën, enz. De uitdagingen van nucleïnezuurisolatie en sequencing zijn vaak routine in Vergelijking met die van data analyse, en als zodanig blijken bioinformatische analyses meestal de meest onderschatte kosten van sequencing projecten 2 te zijn . Bijvoorbeeld, een basisvolgorde bioinformatische analyse van de volgende generatie kan bestaan uit de volgende stappen: kwaliteitsfiltrering en afsnijden van ruwe sequencing leest, samenstellen van korte leest in grotere aangrenzende stukken, en annotatie en / of vergelijkingen met andere systemen om biologisch begrip te krijgen. Hoewel dit werkstroomproces schijnbaar simpel is, vereist speciale kennis en berekeningsbronnen buiten de reikwijdte van een laboratoriumcomputer, waardoor het buiten bereik komt van veel wetenschappers die non-Model organismen.
Innate uitdagingen kunnen infrastructuur- of kennisgebaseerd zijn. Een klassieke infrastructuuruitdaging is toegang tot geschikte computermiddelen. Bijvoorbeeld, assemblage en annotatie berusten op computationeel intensieve algoritmen die krachtige computers of computerclusters nodig hebben, met een grote hoeveelheid RAM (256 GB-1 TB) en meerdere processors / kernen om te draaien. Helaas hebben veel onderzoekers ook geen toegang tot dergelijke computergebruikers of hebben ze niet de nodige kennis om met deze systemen te kunnen communiceren. Andere onderzoekers zouden toegang hebben tot high performance computing clusters via hun universiteiten of instellingen, maar de toegang tot deze bronnen kan beperkt zijn en resulteren soms in kosten per berekeningsuur, dat wil zeggen het aantal CPU-processors vermenigvuldigd met het aantal real-time klok Uren "dat die processors draaien. Levering van een cyberinfrastructuur systeem gefinancierd door de Amerikaanse National Science Foundation sZoals CyVerse 3, die gratis toegang biedt tot het berekenen van middelen voor onderzoekers, in de Verenigde Staten en over de hele wereld, kan helpen bij het verlichten van infrastructuuruitdagingen, zoals hier wordt aangetoond.
Een voorbeeld van een typische kennisgerichte uitdaging is het begrijpen van de software die nodig is voor volledige analyses. Om effectief een sequencing-based project uit te voeren, moeten onderzoekers bekend zijn met de talrijke software tools die zijn ontwikkeld voor bioinformatische analyses. Het leren van elk pakket is eigenlijk moeilijk, maar wordt verergerd door het feit dat pakketten voortdurend worden opgewaardeerd, herlezen, samengevoegd in nieuwe workflows en soms beperkt worden tot gebruik onder nieuwe licenties. Bovendien moet het koppelen van de ingangen en uitgangen van deze gereedschappen soms transformeren van datatypen om ze compatibel te maken en een ander hulpprogramma toe te voegen aan de workflow. Tenslotte is het ook moeilijk om te weten welk softwarepakket het isE best 'voor een analyse, en het vaak identificeren van de beste software voor bepaalde experimentele omstandigheden is een kwestie van subtiele verschillen. In sommige gevallen zijn handige recensies van software beschikbaar, maar als gevolg van de voortdurende release van nieuwe updates en software opties, gaan deze snel verouderd.
Voor onderzoekers die ondergedompelde organismen onderzoeken, komen deze aangeboren uitdagingen naast de uitdagingen in verband met het analyseren van gegevens in een nieuw organisme. Deze onderbestand organisme-specifieke uitdagingen worden het best geïllustreerd tijdens de genannotatie. Onderverdiende organismen hebben bijvoorbeeld vaak geen nauw verwant model organisme dat redelijkerwijs kan worden gebruikt om de genetische orthologie en functie te identificeren ( bijv. Mariene invertebraten en Drosophila ). Veel bioinformatische hulpmiddelen vereisen ook "training" om structurele motieven te identificeren, die kunnen worden gebruikt om de genfunctie te identificeren. Opleidingsgegevens zijn echter meestal alleen beschikbaar voor modEl-organismen, en het trainen van verborgen Markov-modellen (HMM's) ligt buiten het bereik van biologen, en zelfs veel bioinformatica. Ten slotte, ook al kunnen annotaties worden uitgevoerd met behulp van gegevens van modelorganismen, zijn sommige genontologieën verbonden aan modelorganismen niet zinvol wanneer de biologie en de natuurlijke geschiedenis van het onderverdeelde organisme worden overwogen ( bijv . Overdracht van informatie van Drosophila naar garnalen).
In het licht van deze uitdagingen moeten bioinformatische middelen worden ontwikkeld met onderzoekers die de novo- analyses uitvoeren op onderverdiende organismen die specifiek in gedachten zijn. De volgende jaren van functionele genomics sequencing projecten helpen bij het sluiten van de kloof tussen model en onderverdeelde organismen ( https://genome10k.soe.ucsc.edu/ ), maar er zijn veel tools die moeten worden ontwikkeld om de uitdagingen aan te pakken Hierboven beschouwd. CyVerse is gewijd aan het creëren van ecosystemen van iNteroperability door het koppelen van bestaande cyberinfrastructuur en applicaties van derden om data management, bioinformatische analyse tools en data visualisaties aan life scientists te leveren. Interoperabiliteit helpt om de overgangen tussen bioinformatische applicaties en platforms te vergemakkelijken door schaalbare computergebruiken te bieden, en omzettingen van bestandsformaten te beperken en de hoeveelheid gegevens die tussen platforms worden overgedragen. CyVerse biedt verschillende platforms, waaronder de Discovery Environment (DE 4 , Atmosphere 5 en de Data Store 3) . De DE is op internet gebaseerd en heeft veel algemene bioinformatica analytische tools omgezet in gebruiksvriendelijke point-and-click formaten (genaamd "apps ") En is de grafische gebruikersinterface (GUI) voor de Data Store waar grote datasets ( dat wil zeggen ruwe sequencing leest, samengevoegde genen) worden opgeslagen en beheerd. Atmosfeer is een cloud computing service die de onderzoekers verhoogde flexibiliteit voorMet behulp van computermiddelen van Virtual Machine, die een breed scala aan bioinformatica-instrumenten vooraf geïnstalleerd hebben. Beide platforms zijn gekoppeld aan de Data Store en kunnen samen worden gebruikt om workflows zoals hier beschreven te maken. Dit rapport concentreert zich op een de novo transcriptome assemblage en differentiële genexpressie analyse werkstromen, en behandelt verder enkele beste praktijken die verband houden met het ontwikkelen en uitvoeren van bioinformatische analyses. Een toelichting op de bredere missie van CyVerse ( http://www.cyverse.org/about ) en gedetailleerde platformbeschrijvingen ( http://www.cyverse.org/learning-center ) zijn publiekelijk beschikbaar. Alle analyses die hierin worden beschreven, gebruiken Discovery Environment 4 (DE) en Atmosphere 5 en worden op een manier gepresenteerd om ze toegankelijk te maken voor onderzoekers van alle computerniveaus. DE werkstromen en AtmosphEre beelden kunnen direct worden gebruikt met behulp van URL's om langlopende herkomst, herbruikbaarheid en reproduceerbaarheid te waarborgen.