Этот протокол описывает полезный инструмент для выявления значительных молекулярных изменений при раке и приводит к разработке новых диагностических и терапевтических подходов к плоскоклеточному раку пищевода.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Этот протокол описывает полезный инструмент для выявления значительных молекулярных изменений при раке и приводит к разработке новых диагностических и терапевтических подходов к плоскоклеточному раку пищевода.
Рак пищевода (ЭК) занимает8-е место среди наиболее агрессивных злокачественных новообразований, и его лечение остается сложным из-за отсутствия биомаркеров, способствующих раннему выявлению. ЭК проявляется в двух основных гистологических формах - аденокарциноме (EAD) и плоскоклеточном раке (ESCC) - обе демонстрируют различия в заболеваемости в географически различных популяциях. Высокопроизводительные технологии меняют представление о болезнях, в том числе о раке. Существенной проблемой для научного сообщества является работа с разрозненными данными в литературе. Чтобы решить эту проблему, предлагается простой конвейер для анализа общедоступных наборов данных микрочипов и сбора дифференциально регулируемых молекул между раком и нормальными условиями. Конвейер может служить стандартным подходом для дифференциального анализа экспрессии генов, идентифицируя гены, дифференциально экспрессируемые между раком и нормальными тканями или между различными подтипами рака. Конвейер включает в себя несколько этапов, включая предварительную обработку данных (включая контроль качества и нормализацию необработанных данных экспрессии генов для устранения технических различий между образцами), дифференциальный анализ экспрессии (идентификацию генов, дифференциально экспрессирующихся между двумя или более группами образцов с помощью статистических тестов, таких как t-тесты., ANOVA или линейные модели), функциональный анализ (использование инструментов биоинформатики для идентификации обогащенных биологических путей и функций в дифференциально экспрессируемых генах) и валидация (включающая валидацию с использованием независимых наборов данных или экспериментальных методов, таких как кПЦР или иммуногистохимия). С помощью этого конвейера можно получить набор дифференциально экспрессируемых молекул (ЦМР) для любого типа рака, включая рак пищевода. Этот компендиум может быть использован для определения потенциальных биомаркеров и мишеней для лекарств от рака, а также для улучшения понимания молекулярных механизмов, лежащих в основе заболевания. Кроме того, популяционно-специфический скрининг рака пищевода с использованием этого конвейера поможет определить конкретные мишени для лекарств для отдельных групп населения, что приведет к персонализированному лечению заболевания.
Вызывает тревогу тот факт, что ЭК занимает восьмое место среди наиболее распространенных видов рака в мире и шестое место среди смертей во всем мире. Китай, Индия и Иран имеют тревожно высокий уровень заболеваемости и смертности. Существует два основных типа ЭК: аденокарцинома пищевода (EAC или EAD) и плоскоклеточная карцинома пищевода (ESCC)1. EAC более распространен в западном мире, в то время как ESCC более распространен в восточных странах, особенно в Китаеи Иране. С ЭК связано несколько факторов риска, включая употребление табака и алкоголя, ожирение и гастроэзофагеальную рефлюксную болезнь (ГЭРБ). Кроме того, диетические факторы, такие как недостаток фруктов и овощей и потребление горячих напитков и продуктов питания, связаны с риском ESCC в районах высокого риска. Ранняя диагностика и лечение важны для улучшения исходов лечения пациентов с EC 3,4. Поэтому важно повышать осведомленность о факторах риска, признаках и симптомах ЭК, а также поощрять регулярный скрининг лиц с высоким риском. Кроме того, усилия по устранению модифицируемых факторов риска, таких как употребление табака и алкоголя, а также нездоровые пищевые привычки, могут помочь снизить частоту ЭК. ЭАД возникает в клетках желез, вырабатывающих слизь, в нижней части пищевода, рядом с желудком. Он часто связан с ГЭРБ, при которой желудочная кислота и содержимое возвращаются в пищевод. Напротив, ESCC возникает из плоских, тонких клеток, выстилающих верхнюю часть пищевода5. Он более распространен в регионах, где широко распространено употребление табака и алкоголя, таких как Китай и Иран.
Среди различных состояний, связанных с пищеводом, пищевод Барретта (БЭ), состояние, при котором слизистая оболочка пищевода заменяется железистыми клетками, является известным предшественником EAC6. Стоит отметить, что ПБ может развиваться и без ГЭРБ, но наличие ГЭРБ увеличивает риск развития ПБ в 3 – 5 раз. Кроме того, наличие ПБ увеличивает риск развития ЭАЦ в 50-100раз7. Кроме того, горячая или острая пища и жидкости были связаны с ESCC, но не с EAC. Понимание факторов риска развития ЭК важно для его профилактики и раннего выявления. Усилия по устранению изменяемых факторов риска, таких как употребление табака, употребление алкоголя, ожирение и нездоровые пищевые привычки, могут помочь снизить заболеваемость ЭК. Кроме того, рутинный скрининг и эпиднадзор за лицами с высоким риском, такими как лица с дисфагией или ПБ, могут улучшить исходы, обеспечивая раннее выявление и лечение.
Безусловно, исследования, основанные на омиксах, включая геномику, транскриптомику, протеомику, метиломику, микроРНКомику и метаболомику, внесли большой вклад в наше понимание ЭК, особенно ESCC 8,9,10,11,12,13. Эти исследования позволили идентифицировать новые биомаркеры, потенциальные терапевтические мишени и новые пути, участвующие в развитии и прогрессировании ESCC. Тем не менее, данные, полученные в результате этих исследований, разбросаны по всей литературе, что затрудняет доступ научного сообщества к этой информации и ее использование. Поэтому важно создать репозиторий или базу данных, в которой собраны данные, полученные в результате высоко- или низкопроизводительных исследований конкретных видов рака. Такой пакет может быть оптимизирован и сделан путем внедрения некоторых основных рекомендаций. Эти рекомендации включают в себя отбор релевантных исследований, извлечение и систематизацию данных из этих исследований, а также обеспечение качества и согласованности данных. Кроме того, компендиум следует регулярно обновлять, чтобы включать в него новые исследования и данные по мере их появления. Исследователи могут использовать единую платформу для получения и анализа данных о конкретном раке, создавая компендиум или базу данных, объединяющую данные различных исследований. Это поможет ускорить исследовательскую работу и, в конечном итоге, приведет к более эффективным методам лечения и лучшим результатам лечения онкологических больных.
Разработка компендиума по раку включает в себя данные как низкопроизводительных, так и высокопроизводительных исследований. Этот компендиум станет ценным ресурсом для исследователей, стремящихся определить потенциальные диагностические или терапевтические мишени для рака. Одним из способов создания этой коллекции является просмотр исследований микрочипов, доступных в общедоступных репозиториях, таких как Gene Expression Omnibus (GEO). Исследования на микрочипах могут предоставить информацию об уровнях экспрессии генов в раковых клетках, и эти данные могут быть использованы для идентификации дифференциально экспрессируемых генов (DEG), которые могут играть роль в развитии и прогрессировании рака.
Однако следует отметить, что в разных исследованиях могли использоваться разные методы анализа своих данных, что могло привести к выявлению различных DEG. Поэтому важно тщательно проанализировать каждое исследование и учесть любые потенциальные погрешности или ограничения при объединении данных для компендиума. Как только данные собраны на общей платформе, исследователи могут использовать их для определения потенциальных молекулярных мишеней для дальнейшего изучения. К ним относятся изучение экспрессии определенного гена в клинических образцах или проведение механистических исследований, чтобы понять, как конкретный ген или белок участвует в развитии и прогрессировании рака. В целом, создание набора данных о раке станет ценным ресурсом для исследователей рака и поможет определить новые мишени для диагностики и терапевтических вмешательств.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
1. Ручное курирование дифференциально регулируемых молекул в ESCC
2. Поиск релевантных исследований с помощью PubMed
3. Поиск релевантных исследований с использованием омнибуса экспрессии генов (GEO)
ПРИМЕЧАНИЕ: Gene expression omnibus (GEO) — это свободно доступный репозиторий для хранения данных на ДНК-микрочипах. Обилие данных, доступных в GEO, является хорошим ресурсом для интеллектуального анализа данных для выявления дифференциально регулируемых молекул между раком/заболеваниями и нормальными условиями.
4. Микроматричный анализ с помощью GEO2R
ПРИМЕЧАНИЕ: Первое, что нужно сделать, это найти соответствующие исследования с использованием булевых операторов (AND, OR, NOT). Они будут использоваться в сочетании с ключевыми словами «плоскоклеточная карцинома пищевода», «ESCC» или «плоскоклеточная карцинома пищевода». GEO2R (см. Таблицу материалов) — это свободно доступный пакет на языке R, интегрированный с GEO, что позволяет пользователям анализировать данные исследований на микрочипах в удобной для пользователя форме. Он взаимодействует с идентификаторами записей GEO и предоставляет интерфейс для выполнения сложного анализа на основе R для идентификации DEG с использованием пакетов Bioconductor R для серверной части. Этот пакет не только преобразует данные ГЕО, но и представляет их выходные данные в виде .txt таблиц, которые могут быть в дальнейшем изменены в соответствии с потребностямипользователей16. Пакет GEO2R представляет гены в порядке статистической значимости на основе p-значения, но порядок может быть отсортирован на основе логарифмического2-кратного изменения. Кроме того, пользователи могут просматривать профили экспрессии генов в виде изображений профилей GEO. В отличие от других инструментов анализа, GEO2R не зависит от выбранных записей набора данных и может напрямую опрашивать фактические данные, предоставленные исследователями. Более 90% исследований ГСО могут быть проанализированы с помощью этого метода17. Рабочий процесс GEO2R с этапами, связанными с анализом данных микрочипов с использованием GEO2R, показан на рисунке 1.
5. Поиск псевдонима для гена/белка
6. Поиск официального символа гена для ДЭГ
7. Нахождение генного локуса ДЭГ
8. Поиск информации о ДЭГ в локусе OMIM Pagegene ДЭГ
9. Определение локализации белка, домена и мотива, а также секреторной природы белка, кодируемого геном
10. Отбор белка для валидации и дальнейшая оценка для диагностики или прогноза интересующего злокачественного новообразования
ПРИМЕЧАНИЕ: После того, как уникальные молекулы идентифицированы, самая большая проблема заключается в том, как их проверить. Обычно исследование с помощью микрочипов обеспечивает экспрессию на уровнях мРНК, но для диагностики или прогноза заболевания решающее значение имеет считывание уровней белка. Для того же пациента или полученные от пациента образцы или клеточные линии одного и того же рака должны быть проверены, чтобы узнать, действительно ли молекула экспрессируется там и способна ли она различать рак и нормальный, хороший и плохой прогноз, а также дифференцировать ранние и поздние стадии заболевания. Для валидации молекулы-кандидата полезными методами являются вестерн-блоттинг, иммуноферментные анализы, т.е. ИФА, иммунопреципитация, иммуногистохимия, иммуноцитохимия или анализ 18,19,20. В то же время, все эти анализы требуют наличия антител для обнаружения антигена, присутствующего в образцах. Антитела – это дорогостоящие средства, поэтому всегда лучше подбирать антитела, исходя из следующих пунктов:
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
В качестве примера была использована GSE161533 присоединения GEO для изучения дифференциально исследованных генов в ESCC. Репрезентативные результаты анализа представлены на рисунке 3. GEO2R генерирует график вулкана, который полезен для выявления событий, которые существенно различаются между двумя группами испытуемых. Вулканический график представляет общее распределение генов с преобразованной значимостью (p-значением) -log10 по оси y и изменениями складок (с преобразо...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
С момента внедрения высокопроизводительных методов OMICS в биологию рака скорость генерации данных значительно возросла. Это создает проблему для исследователей, особенно тех, кто не разбирается в компьютерах. Для преодоления с годами биоинформатики приходят к идее разработки базы данных, которая обеспечивала бы данные в организованном виде. Это вызвало положительный отклик у исследователей, особенно у тех, кто не интересуется технологиями. Более того, разрозненные данные OMICS тут и там...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Авторам нечего раскрывать.
MKK является получателем заочного гранта TARE Fellowship (Grant # TAR/2018/001054) (Grant # 5/13/55/2020/NCD-III) от Совета по научным и инженерным исследованиям (SERB), Департамент науки и технологий, и Индийского совета медицинских исследований (ICMR), правительство Индии, Нью-Дели, соответственно.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| NCBI-PUBMED | NCBI | В соответствии с разделом 1. требуется для поиска литературы | |
| Ноутбук/Macbook или персональный компьютер с возможностью подключения к Интернету и веб-браузером. | |||
| g:Profiler | ELIXIR infrastructure | https://biit.cs.ut.ee/gprofiler/gost | Ссылка на раздел 4.10. требуется для обогащения GO:MF, GO:BP и GO:CC |
| Gene expression omnibus | NCBI | https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/ | Ссылка на раздел 3.1. требуется для поиска в базе данных исследований микрочипов |
| GEO2R | NCBI | https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/geo2r/ | Ссылаясь на раздел 3.2. Обязательный для анализа данных с помощью инструмента GEO2R |
| https://www.google.com | Ссылаясь на раздел 1.1. Обязательный для поиска литературы | ||
| HGNC | HGNC является комитет Организации по геному человека (HUGO) | https://www.genenames.org | Ссылаясь на раздел 6.1 требуемый для знания официального символа гена DEGs |
| Институт | биоинформатики HPRD, Банглуру | http://hprd.org | Ссылка на раздел 5.1 обязательна для получения информации об архитектуре белка |
| OMIM | Университет Джонса Хопкинса, Балтимор | http://www.omim.org/entry | Ссылаясь на раздел 8.1 Требуется знать идентификатор OMIM конкретного гена / Программа |
| DEG Pangloss | разработанная Крисом Зайделом | http://www.pangloss.com/seidel/Protocols/venn.cgi | Ссылка на раздел 4.9. требуется для создания диаграммы Венна |
| PANTHER | Thomas в Университете Южной Калифорнии | http://www.pantherdb.org/geneListAnalysis.do | Ссылаясь на раздел 4.10. требуется для обогащения GO:MF, GO:BP и GO:CC |
| ShinyGO | Университет штата Южная Дакота | http://bioinformatics.sdstate.edu/go | Ссылка на раздел 4.10. требуется для распределения ДЭГ на хромосомах |
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.