Использование СФЕРА для выявления потенциальных регулирования мотивы в Coregulated Гены

Viktor Martyanov; Robert H. Gross

doi:10.3791/2703

Краткое содержание

Прямой и надежный метод для выявления потенциальных нормативных мотивы совместно регулируемых генов представлена. СФЕРА не требует каких-либо параметров пользователя и возвращает мотивы, которые представляют собой превосходные кандидаты для регуляторных сигналов. Выявление таких регуляторных сигналов помогает понять основные биологии.

Аннотация

SCOPE представляет собой ансамблевый инструмент поиска мотивов, который параллельно использует три компонентных алгоритма для идентификации потенциальных регуляторных мотивов на основе их избыточной представленности и предпочтения положения мотива¹. Каждый компонентный алгоритм оптимизирован для поиска определенного типа мотивов. Благодаря объединению преимуществ этих трех подходов, SCOPE демонстрирует более высокую эффективность, чем любой отдельный алгоритм, даже при наличии зашумленных данных¹. В данной статье мы используем веб-версию SCOPE² для анализа генов, участвующих в поддержании теломер. SCOPE был интегрирован как минимум в две другие программы поиска мотивов^3,4 и использовался в других исследованиях^5-8.

Три алгоритма, входящих в состав SCOPE, — это BEAM⁹, который ищет недегенерированные мотивы (ACCGGT), PRISM¹⁰, который ищет дегенерированные мотивы (ASCGWT), и SPACER¹¹, который ищет более длинные бипартитные мотивы (ACCnnnnnnnnGGT). Эти три алгоритма были оптимизированы для поиска соответствующих типов мотивов. Совместно они обеспечивают высокую эффективность работы SCOPE.

После анализа набора генов и идентификации потенциальных мотивов SCOPE может выполнить поиск других генов, содержащих данный мотив, добавление которых к исходному набору приведет к повышению показателя значимости мотива. Это может происходить за счет избыточного представления или предпочтительного расположения мотива. При работе с частичными наборами генов с биологически подтвержденными сайтами связывания транскрипционных факторов SCOPE удалось идентифицировать большинство остальных генов, которые также регулируются данным транскрипционным фактором.

Результаты работы SCOPE отображают потенциальные мотивы, их значимость и другую информацию как в виде таблицы, так и в виде графической карты мотивов. Часто задаваемые вопросы и видеоинструкции доступны на веб-сайте SCOPE, который также содержит кнопку «Sample Search» (Пример поиска), позволяющую пользователю выполнить пробный запуск.

Scope обладает очень удобным пользовательским интерфейсом, который позволяет начинающим пользователям в полной мере использовать возможности алгоритма, не становясь экспертами в биоинформатике поиска мотивов. В качестве входных данных SCOPE может принимать список генов или последовательности в формате FASTA. Их можно ввести в текстовые поля браузера или считать из файла. Результаты работы SCOPE содержат список всех идентифицированных мотивов с указанием их баллов, количества вхождений, доли генов, содержащих данный мотив, и алгоритма, использованного для его идентификации. Для каждого мотива подробные результаты включают консенсусное представление мотива, логотип последовательности, позиционную весовую матрицу и список всех случаев вхождения мотива (с указанием точных позиций и «цепи»). Результаты выводятся в окне браузера и, по желанию, отправляются по электронной почте. Подробное описание алгоритмов SCOPE приведено в предыдущих работах^1,2,9-11.

Протокол

1. Подготовьте список имен для генов, которые вы считаете, являются со-регулируемые для анализа SCOPE.

Сохранить список в виде текстового файла или скопировать его в буфер обмена, чтобы вставить в область в шаге 3. Файл должен содержать один ген имени в строке без дополнительной информации. Кроме того, вы можете подготовить список в виде файла FASTA содержащие фактические последовательности для анализа.

2. Начните свой веб-браузер и подключение к URL: Http://genie.dartmouth.edu/SCOPE/

3. Введите информацию, которая СФЕРА необходимо выполнить анализ.

Начальная страница СФЕРА показано на рисунке 1. Различные разделы адресованы в этом шаге.

4. Представитель Результаты:

Основные результаты анализа представлены на рисунке 3. В верхней части страницы содержит таблицу с информацией о мотивах, которые были найдены по области. Первый столбец содержит список мотивов, которые были найдены и малых разноцветных квадратиков служить легенда для графической карты мотив показано ниже. Отображение любой мотив может быть включается и выключается нажатием на цветные окна (или где цветная коробка будет). Это может быть очень полезно, чтобы скрыть отображение высоко повторяющихся мотивов, которые могли бы сделать это трудно понять, менее распространены модели мотив.

Другие колонки данные Count (количество вхождений, что мотив во всей генной набор), Sig значение (указание на значение этого мотива), Охват (процент представленных генов, которые содержат хотя бы один экземпляр что мотив), и алгоритм (какой из трех алгоритмов компонент используется для обнаружения мотив).

При нажатии на любой из перечисленных мотивов займет пользователя на страницу, содержащую подробную информацию о том, что мотивом. Результаты подробно показаны для мотива голубой (atgnnnnttg) на рисунке 4. На этой странице мотив представлен тремя способами: последовательность логотип, матрица позиции вес, и список всех случаях мотив с их позиций, прядей и гены.

Немного дальше вниз по странице приведены некоторые дополнительные сведения о результатах искать другие гены, содержащие этот мотив. Как видно, в данном случае было 1344 других генов, содержащих мотив, все из которых даже улучшило его значение Sig при добавлении в исходный набор генов. Нажатие на "Добавить проверили гены для поиска" вернется на странице установки СФЕРА с этими генами добавлены в исходный набор генов и параметры, установленные, как они были ранее. В этом случае, 10 дополнительных генов добавляются к первоначальному три.

На рисунке 5 представлены результаты анализа содержащих дополнительные гены для этого мотива. Оригинальные три гена находятся на нижней части результатов (в нижнем регистре). Глядя на картину мотивов в верховьях области этих дополнительных генов ясно показывает, что они похожи. На самом деле, многие из этих генов участвуют в обслуживании, как теломеры были оригинальные трех генов. Отметим также, что первоначальный мотив в настоящее время самым результативным мотив в этом наборе.

Еще один набор СФЕРА результаты показано на рисунке 6. В этом случае набор генов являются те, которые участвуют в рибосомы биогенеза в CEREVISIAE Saccharomyces. Эти гены не являются на самом деле часть рибосомы, но отвечают за сборку рибосом и включают в себя ряд модификация ферментов. То, что ясно из рисунка является то, что красные и зеленые мотивы образуют надежную модель, которая, скорее всего, участвует в регуляции генов в этом наборе. Мы исследуем этот образец "модулей" более подробно и сообщит об этом в более поздней публикации.

Рисунок 1. Главная вход SCOPE. Эта страница используется для ввода генов, которые будут проанализированы и определить виды и длина области вверх по течению на экспертизу. При желании пользователь может запросить результаты по электронной почте или ограничить поиск какой-либо указанному мотиву. Видео помощь также доступна.

Рисунок 2. Главная вход СФЕРА со значениями заполнены для выполнения поиска. Эти параметры являются результатом нажав на кнопку 'Пример поиска ". В этом случае флажок, чтобы найти других генов, содержащих мотивы найдены СФЕРА проверяется. Этот вариант требует больше времени, чтобы вычислить (каждый ген в геноме должно быть рассмотрено), но может дать интересные результаты.

Рисунок 3. Основная сфера странице результатов. Эта страница суммирует результаты СФЕРА поиска. Список всех высоких мотивов забив обеспечивается и цветом мотив карте показано расположение определили мотивы в набор генов проанализированы. Нажав на цветной флажок рядом с мотивом будет включать и отключать отображение, что мотив или отключить в мотив карте. В дополнение к значимость балл (Sig значение), доля генов, содержащих мотив (охват), а алгоритм, используемый, чтобы найти, что мотив также предоставляются.

figure-protocol-5 Рисунок 4. На этой странице результатов подробно воспитывается, когда конкретный мотив нажатии на главной странице результатов. Здесь содержится детальная информация отдельные мотивы. Последовательность логотип, матрица позиции вес, и консенсусной последовательности каждого представляют различные виды резюме список мотив случаях и на странице. Так как "найти дополнительные гены» было проверено в первоначальной установки поиска, есть также информация на этой странице, о каких-либо других генов в геноме, которые содержат этот мотив. С этой страницы можно также запустить другой СФЕРА работать в том числе дополнительных генов, выявленных на этой странице.

Рисунок 5. На этом рисунке показаны результаты ищет дополнительные гены для «atgnnnnttg" мотив показано на рисунке 4. Оригинальные три гена находятся в нижнем регистре в нижней части мотива карте. Дополнительных генов показаны в верхнем регистре. Существует четкая картина, чтобы мотивы в регионах выше по течению этих генов. Отметим также, что указанный мотив показывает алгоритм, как "ПРОСМОТР", потому что то, как это было определено. Это фактически соответствует 5^Й Мотив найден SPACER в этом анализе.

На рисунке 6. СФЕРА выход для генов, участвующих в рибосомы биогенеза в CEREVISIAE Saccharomyces. Обратите внимание, сохраняется структура модулей, состоящих из мотивов "aaawtttbh '(красный) и' abctcatcd '(зеленый), разделенных примерно на 10-30 НТС и представить на 100-200 нуклеотидов вверх по течению от старта транскрипции для генов.

Обсуждение

СФЕРА предоставляет исследователю мощный инструмент, используемый для идентификации потенциальных нормативных мотивы в наборах согласованно регулируемых генов. Пользователь не обязан догадываться о размере мотив или количество вхождений мотив как и многие другие мотив поиска сайтов требует. Эти параметры в основном непознаваем до мотив выявлено. Интерфейс программы очень простой, как для ввода последовательности или гена имена и для просмотра продукции.

СФЕРА выход предоставляет подробную информацию обо всех мотивов, которые определены, используя три различных способа мотива представления. Каждый экземпляр мотив во всех генов в списке с позиции и "нить" информации. Графический результаты в виде мотива карты обеспечивают визуальное отображение, что легко понять, и предоставляет интуитивно понятный способ увидеть закономерности в мотивах, которые присутствуют.

СФЕРА очень устойчивы к присутствии шума в данных. Как правило, это осуществляется в форме дополнительных генов, присутствующих в стартовый набор, который не может быть фактически совместно регулируется с остальными генами. Это часто происходит, когда, начиная с генами, которые являются со-выражается в микрочипов экспериментов. Иногда эксперимент шумно, или их может быть несколько факторов транскрипции активируется в экспериментальных условиях использовали для эксперимента микрочипов. Эти различные транскрипционные факторы, скорее всего, имеют различные сайты мишени на ДНК. Даже в присутствии 4-кратный посторонних генов (шума: сигнал соотношение 4:1), СФЕРА-прежнему сохраняет 50% своей точности в предсказании сайты ^1.

Хотя СФЕРА содержит более 2 миллионов синонимы названий генов, она иногда не в состоянии идентифицировать некоторые гены имена. Мы постоянно обновляем наши списки синонимов, но иногда находят, что различные синонимы относятся к одному гену. В этих случаях, мы не включаем синонимы из-за двусмысленности. если у вас есть ген имя, не найдено СФЕРА ПРИМЕНЕНИЯ, рекомендуется, чтобы вы ссылаетесь на геном конкретного сайта, чтобы найти альтернативное имя ген использовать по своему масштабу. Примеры соответствующих названий генов для каждого вида предоставляются SCOPE.

СФЕРА в настоящее время содержит 72 видов, новых видов добавляются все время. Веб-сайт содержит видео помощи, а также часто задаваемые вопросы. Исходный код находится в свободном доступе для академических пользователей, написав по адресу RHG.

Раскрытие информации

Нет конфликта интересов объявлены.

Благодарности

Это исследование было поддержано грантом для RHG от Национального научного фонда, DBI-0445967.

Ссылки

Chakravarty, A., Carlson, J. M., Khetani, R. S., Gross, R. H. A novel ensemble learning method for de novo computational identification of DNA binding sites. BMC Bioinformatics. 8, 249-249 (2007).
Carlson, J. M., Chakravarty, A., DeZiel, C. E., Gross, R. H. SCOPE: a web server for practical de novo motif discovery. Nucleic Acids Res. 35, 259-264 (2007).
Blom, E. J., Roerdink, J. B., Kuipers, O. P., Hijum, S. A. van MOTIFATOR: detection and characterization of regulatory motifs using prokaryote transcriptome data. Bioinformatics. 25, 550-551 (2009).
Blom, E. J. DISCLOSE : DISsection of CLusters Obtained by SEries of transcriptome data using functional annotations and putative transcription factor binding sites. BMC Bioinformatics. 9, 535-535 (2008).
Bushey, A. M., Ramos, E., Corces, V. G. Three subclasses of a Drosophila insulator show distinct and cell type-specific genomic distributions. Genes Dev. 23, 1338-1350 (2009).
Znaidi, S. Identification of the Candida albicans Cap1p regulon. Eukaryot Cell. 8, 806-820 (2009).
Sharma, D., Mohanty, D., Surolia, A. RegAnalyst: a web interface for the analysis of regulatory motifs, networks and pathways. Nucleic Acids Res. 37, W193-W201 (2009).
Znaidi, S. Genomewide location analysis of Candida albicans Upc2p, a regulator of sterol metabolism and azole drug resistance. Eukaryot Cell. 7, 836-847 (2008).
Carlson, J., Chakravarty, A., Gross, R. B. E. A. M. A beam search algorithm for the identification of cis-regulatory elements in groups of genes. J Comput Biol. 13, 686-701 (2006).
Carlson, J., Chakravarty, A., Khetani, R., Gross, R. Bounded search for de novo identification of degenerate cis-regulatory elements. BMC Bioinformatics. 7, 254-254 (2006).
Chakravarty, A., Carlson, J. M., Khetani, R. S., DeZiel, C. E., Gross, R. H. SPACER: identification of cis-regulatory elements with non-contiguous critical residues. Bioinformatics. 23, 1029-1031 (2007).