Summary
בניגוד DNA רצף נתונים, נתונים epigenomic לא ברצון נתון את החיפושים מבוססי טקסט. להלן מוצגות ההליכים להשתמש גרסה משודרגת של GeNemo, כלי מבוסס-אינטרנט ביואינפורמטיקה, לערוך חיפושים המבוססת על תבניות עבור קווי דמיון בין נתונים epigenomic השוואת זמין למאגרי מידע מקוונים כולל האנציקלופדיה של ה-DNA אלמנטים עם הנתונים של המשתמש.
Abstract
לעומת כלי החיפוש מבוססי טקסט חזקים עבור גנומית או RNA רצף נתונים, מתודולוגיות הנוכחי לחיפושים המבוססת על תבניות של epigenomic ונתונים גנומית פונקציונליים אחרים מוגבלים מאוד. GeNemo הוא כלי חיפוש מקוון הראשון המבצעת את המטרה הזו. משתמשים קלט הנתונים גנומית הפונקציונלית שלהם הדפדפן להרחבה נתונים (מיטה), פסגות ותבניות אישיות חשובה, אולי לחפש נתונים בכל אחת מהתבניות. משתמשים עשוי לציין אילו סוגי נתונים (datasets) כדי לחפש נגד, בחירה מתוך מגוון רחב של datasets באינטרנט, עם האנציקלופדיה של ה-DNA אלמנטים (קידוד) המייצג סימני epigenomic שונים, גנים ברמת השעתוק גורם מחייב אתרי כרומטין hypersensitivities או accessibilities סוגי תאים ספציפיים, ו בשלבים התפתחותיים או מינים (עכבר או האדם). GeNemo מחזירה רשימה של אזורים גנומית עם התאמת דפוסי נתוני הקלט, אשר עשוי להיות המוצגת בדפדפן כמו גם הורדת בתבנית הקובץ של המיטה. GeNemo משודרג השתפרה תצוגה גרפית, יש ממשק עמידים יותר, הוא כבר לא מועדת לשגיאות עקב שינויים ב אוניברסיטת קליפורניה, סנטה קרוז (UCSC) הגנום דפדפן. שלבים לפתרון בעיות עבור בעיות נפוצות נידונות. ככל שכמות הנתונים גנומית פונקציונלי מרחיבה באופן אקספוננציאלי, יש צורך קריטי ושתומכות bioinformatic כלים חדשים כגון GeNemo נתונים ניתוח ופרשנות.
Introduction
ההתקדמות הטכנולוגית האחרונות איפשרו עבור ההתרחבות המהירה של epigenomic או depositories נתונים גנומית פונקציונלי, אשר יש outpaced הפיתוח של כלים אנליטיים הרלוונטיים כדי לחלץ תובנות ביולוגי. דרך חשובה אחת כדי לנתח נתונים epigenomic היא חיפוש נתונים שנוצרו על-ידי המשתמש נגד נתונים depositories, במיוחד אלה של הפרויקטים1 האנציקלופדיה של ה-DNA אלמנטים (קידוד) עבור התאמת דפוסי שיכול להוביל לידע חדש. למשל, זיהוי דמיון בתבניות של שני סימני epigenomic שונים-לוקוסים מוגדר ברחבי הגנום עשוי להצביע על פעולה מתואמת על ידי שחקנים שונים מולקולרית כרומטין קונפורמציה, תעתיק בתקנה2 ,3,4.
מנועי חיפוש מבוססי טקסט רגיל אינם יעילים בהקשר זה כי, בניגוד רצף ה-DNA, epigenomic נתונים בעיקר קיים בתבנית של עוצמות או אזורים גנומית פונקציונלי. GeNemo, עומד כבר נמו ג'ין (כמו מוצאים את נמו), פותחה כדי לטפל זה צורך באמצעות חיפושים דפוס מבוססי5. אלגוריתם שלה מנצל תהליך למיקסום מרקוב מונטה קרלו שרשרת5. משתמשים את הנתונים שברשותם או dataset שהורדו מ- depositories וחיפוש מערך נתוני epigenomic מקוון כדי לזהות קווי דמיון בין דפוסים.
הגירסה הנוכחית של GeNemo של התצוגה מעודכן, ממשקים יותר robustly עם אוניברסיטת קליפורניה, סנטה קרוז (UCSC) הגנום דפדפן6, ונמצא פחות רגישים בעיות שנגרמות על ידי שינויים בחודש האחרון. בפרט, בעוד דף תוצאות של GeNemo להשתמש כדי להתבסס על ממשק הדפדפן UCSC הגנום, הגירסה הנוכחית של GeNemo תומכת משלו עמוד התוצאות, כתוצאה מכך הוא כבר לא מושפעת משערי שינויים מבניים לדפדפן הגנום UCSC. GeNemo ניתן להשתמש כל אות גנומית, כולל מחייב חלבון, שינוי היסטון, נגישות כרומטין, תחומים טופולוגי, וכן הלאה, כשאילתה למצוא קטעים colocalized/דומה בין ערכות נתונים ידועים קונסורציומים גדולים. לכן, זה כלי חשוב ללמוד את הקשר בין נתונים שונים epigenomic עניין נתונים ידועים שנוצר פרויקטים בקנה מידה גדול גנומית.
Protocol
הערה: הפרוטוקול אפשר לעצור בכל מקום.
1. כיוונון בסיסי
- קבל מיטה, פסגות בתבנית, או אישיות חשובה 7 הקובץ המכיל את הנתונים כדי להיות קלט לתוך הגנום. הקובץ אמור להיות שם סיומת " המיטה ", " broadpeaks " " narrowpeaks ", או " אישיות חשובה " בהתאמה.
הערה: גרסאות אלה סוג קבצים מכווצת יעבוד גם. - להשתמש דפדפן אינטרנט כדי ללכת genemo.org. בכל מערכת הפעלה יכול להריץ דפדפני האינטרנט הנפוצים ביותר צריך להיות מסוגל להשתמש GeNemo.
- לבחור אילו זנים כדי לחפש נגד שימוש בתפריט הנפתח. כעת מינים הזמינים כוללים אדם ועכבר.
- העלה המשתמש קובץ באמצעות כתובת url או של העלאה ישירה. אישיות חשובה קבצים רק עבודה באמצעות שיטת העלאת כתובת url. מיטה פסגות בפורמט קבצים עבודה עם שתי השיטות (מרווח הקבצים אין אפשרות להעלות כמו הנתונים הראשי נכון לעכשיו).
2. ההתקנה האופציונלית
- לספק כתובת דואר אלקטרוני בתיבה המתאימה על מנת לקבל את תוצאות החיפוש באמצעות דוא ל כאשר החיפוש נעשה.
הערה: בעת חיפוש חלק גדול של הגנום ו/או כנגד מספר רב של מסלולים (ראו להלן), מומלץ כי המשתמש מספק הדואר האלקטרוני שלו/שלה, מאז החיפוש עשוי להימשך זמן רב. לדוגמה, חיפוש 100 megabase לוקח בסביבות 15 s. קישור אל תוצאות החיפוש תישלח אל כתובת האימייל כאשר החיפוש יושלם. הקישור תפוג בעוד 7 ימים לאחר השלמת חיפוש. - לספק קובץ אישיות חשובה, או ייתכן שהקובץ תצוגה מרווח מכתובת url. קובץ תצוגה זה לא ישפיע על התוצאות; זה רק יוצג לצד התוצאות.
- לציין טווח חיפוש (כולל את העמדות כרומוזום, זוג בסיסים) בתיבה המתאימה.
- לפרט את הכרומוזום, זוג בסיסים, והסיום זוג בסיסים.
- שימוש ' chrN ' עבור התבנית כרומוזום, איפה ' N ' הוא המספר/אות כרומוזום (1, 2, … X או Y). עבור זוגות בסיס, פשוט הקלד את המספרים.
- כוללות רווחים בין שלושת הערכים, או לכלול נקודתיים (:) בין מספר כרומוזום זוג הבסיס הראשון, ו/או מקף בין שני צמדי בסיס. לדוגמה: chr1:1000000-2000000, chr1 1000000 2000000, chr1 1000000-2000000, chr1:1000000 2000000.
הערה: השלבים 2.1-2.3 הם אופציונליים.
איור 1 : GeNemo ' s בעמוד הראשי עם האזורים הדרושים למילוי. המשתמש צריך קלט את המינים, חיפוש קובץ ואת טווח החיפוש ובחר שירים שהוא מבקש לערוך חיפוש נגד. כתובת דואר אלקטרוני ולהציג קבצים אופציונליות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
3-בחירת הנתונים
איור 2 : חלון בחירת המסלול. זה הציף למעלה על-ידי לחיצה " בחירת הנתונים " לחצן בעמוד הראשי. . הנה, למשתמשים לבחור מסלולים כדי לחפש קובץ הקלט נגד. חלק מהרצועות שכבר נבחרו על-ידי ברירת המחדל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
- לאחר לחיצה על לחצן הבחירה נתונים, לבחור אילו סוגי מסלולים כדי לחפש נגד (קרי, כדי להוסיף לשאילתה). האוסף המסלול כולל datasets שונים רבים של מעבדות ברחבי העולם-
- כמו ברשימת הרצועות ארוכה למדי, ייתכן שמשתמשים ירצו להשתמש לחצן המסנן (בחלק העליון) כדי להקל על בחירות. רצועות עשוי להיות מסוננות לפי ניסוי, רקמות, תאים בטור ו/או במעבדה
- ישנם חמישה כפתורים בתחתית כדי לסייע לבצע בחירה במסלול: בחר הכל, בטל בחירה, הוספה, מסנן, המנועים.
- בחר הכל " ו " תבחר " מאליהן.
- " Add " הלחצן מוסיף שירים שנבחרו כעת השאילתה. הוא משמש שער לוגי " או ". שימו לב כי בחירת את המסננים מעל (למשל, מסוימים ניסויים, רקמות, שורות תאים או מעבדות) לא להוסיף באופן אוטומטי רצועות התואם לשאילתת החיפוש. משתמשים עליך לבחור תחילה רצועות (למשל, המוח, הכבד תחת רקמות) ולאחר מכן לחץ על " Add " הלחצן כדי להוסיף אותן לשאילתה. בעת בחירת שירים, שימו לב כי רק המסננים המצוינים בכרטיסיית נפתח בחלון מסנן יוחלו לשאילתת החיפוש. בחירות נוספות בכרטיסיות האחרות יהיה נשמר בחלון מסנן, אבל לא תחול על שאילתת החיפוש.
- " מסנן " לחצן שומר רק את סוגי שירים הנוכחי שנבחר בחלון מסנן שאילתה ומסירה את כל הסוגים האחרים של מסלולים. הוא משמש שער לוגי " AND ". בעיקרו של דבר, " מסנן " מאפשר הבחירה של האינטראקציה בין שתי קטגוריות של מסלולים (למשל, רקמות מסוימות עם מעבדות מסוימים). שים לב " מסנן " לא להוסיף את סוגי שירים שנבחרו לשאילתה אם הם לא כבר בשאילתה.
- " אל תכלול " כפתור מסיר כל סוגי שירים שנבחרו בחלון מסנן מהשאילתה. הוא משמש שער לוגי " לא ", באופוזיציה " מסנן " פונקציה. שוב, " לא לכלול " אינה מוסיפה רצועות כרגע לא נבחרה בחלון מסנן לשאילתה.
איור 3 : כשחלון המסנן . זה מובא על-ידי לחיצה " מסנן " לחצן על חלון בחירת המסלול. כאן, המשתמשים יכולים לבחור מסלולים רבים בו זמנית, עם הקלות היחסית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 4 : כיצד להשתמש בפונקציה מסנן. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
- לאחר הוספת הרצועות הרצוי בשאילתה, לחץ " עדכון " כפתור על הימנית התחתונה. זה דרוש על מנת להכיל שתי דרכים לבחירת נתונים: בחירת נתונים נפרדים רצועות או סינון/לא כולל. " לאפס את התצוגה " לחצן איפוס השאילתה המסילה ברירת מחדל הקשורים הכונה ביטוי של תאי גזע עובריים האדם/עכבר.
הערה: בחירת מסלולים בהן ייתבצע נגד דרך " בחירת הנתונים " הוא אופציונלי אך מומלץ להיותכי ברירת המחדל חיפוש שירים הם ככל הנראה לא מתאים למשתמש ' לצרכי.
4. חיפוש ותוצאות
- לחץ " חיפוש " כפתור לאחר בחירת הנתונים. החיפוש יכול לקחת קצת זמן.
- לאחר השלמת החיפוש, המשתמשים יראו תיבות שונות בעמוד התוצאות. כל תיבת מייצג מקטע בגנום שבו משתמש ' קובץ הנתונים s יש תבנית מתאימים בשיתוף פעולה הדוק עם אחד או יותר של המסילה המשתמש יש עליו שאילתה.
- אם אין לנסות גלוי, של תיבות חיפוש סוגים נוספים של שירים או עושה את טווח החיפוש יותר גדול עם אותו קובץ הקלט. דרך קלה לעשות את זה בלי משפצת את הכל הוא לחיצה " ☰ " שליד הלוגו. פעולה זו תפתח את תיבה צידית המאפשרת למשתמש לשנות את החיפוש.
- התוצאות ייתכן ייצוא כקובץ למיטה על ידי לחיצה על " הורדת קובץ מיטה " כפתור בתחתית עמוד התוצאות.
- לחץ על לחצן Visualize בחלק העליון הימני של כל תיבת לדמיין את התוצאות.
- , ויזואליזציה פאנל על הכפולה נכון, הדברים מוצגים לרבות המידע, אשר משלבת את קובץ קלט משתמש, קובץ התצוגה אם אחד היה הכנסת, התאמת רצועות, ועוקבת כמה ברירת המחדל. את התוצאות, המשתמש עשוי להשוות datasets קדד ידוע נגד ערכת הנתונים שסופקו לחקירה נוספת. המשתמש עשוי להתייחס גם גנים UCSC לראות את ההקשר של תוצאות השאילתה. אם רצועות שורות/רקמות מרובות תאים נבחרים, המשתמש עשוי להשתמש תוצאות כאלה כדי לקבל תובנות על יחודיות רקמות של הדמיון בין הנתונים (dataset) נתון קידוד נתונים (datasets).
- , על תוצאות עמוד המשתמש יכול לגרור על עקבות לנוע במעלה או במורד הזרם של הגנום; כאשר סמן העכבר על נקודות הציון, המשתמש יכול להשתמש גלגל העכבר ו/או זום פנימה והחוצה.
איור 5 : עמוד התוצאות. חיפוש מסוים זה חזר 363 אזורים תואמות. מציג את האזור תואמות הראשון יכול להיעשות על-ידי לחיצה " הצג " הלחצן בפינה השמאלית התחתונה של כל תיבת אזור וכתוצאה מכך. על החלק השמאלי של חלון התצוגה ניתן לראות כי קבצי הנתונים שני (מסלול קלט ונבחרת) דומים אות כוח דפוס. אנא לחצו כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
Representative Results
למוצג באיור 5 הוא חיפוש מדומה. המין האנושי נבחר, בקובץ הדוגמה המתאימה שימש את קובץ נתוני הקלט. בנוסף, פסי ברירת המחדל, כפי שניתן לראות באיור 3, נבחרו. היו בסך הכל 363 התאמת אזורי, האזור הראשון מוצג בדף התצוגה. ניתן לראות כי התבנית בעוצמה של בסיס 17036000 כדי 17038000 על כרומוזום 1 עבור קובץ הקלט, אחד של המסילה שנבחר דומה מאוד.
Discussion
הבנה מעמיקה epigenome נדרש כדי להשיג את מלוא הפוטנציאל של רצף הגנום האנושי במתן תובנות ביולוגי חדש8. כיום ישנם רק דרכי החיפוש באינטרנט epigenomic datasets באמצעות תיאור הנתונים שלהם כותרת (קרי, מטה-נתונים)1. זה קשות מגביל את סוגי חיפוש אחד יכול לעשות עם הנתונים epigenomic. כלי חיפוש מבוסס תבנית עבור epigenomic נתונים חיוניים עבור חקר את הקשר בין סימוני epigenomic שונים, דבר שעלול להוביל תובנות חדשות ביולוגיות. GeNemo, אשר החיפושים לפי התוכן של נתונים, לא מטא-נתונים, הוא השירות הראשון מסוגו כדי להשוות בין דפוסים epigenomic נתונים שפורסמו depositories כגון קידוד מסד הנתונים עם הנוצרים על-ידי המשתמש או הורדת הנתונים (dataset)5. זה מסמן את תחילת הזמינות של כלי חיפוש epigenomic שנגיש נרחב חוקרים ברחבי העולם בדיוק כמו כלי חיפוש מבוססי טקסט רצף הפך לנפוץ בשנות ה-90. כיום, ישנם אין חלופות עבור כלי מבוסס תבנית חיפוש מקוון עבור epigenomic נתונים שאינם GeNemo.
דוגמה אחת פוטנציאליים של שימוש GeNemo היא לחפש את השינויים היסטון הופעה משותפת וסימוני epigenetic נוספים עם הגורם תעתיק E2F6 תאי גזע עובריים (קובץ אות איגוד דוגמה E2F6 זמין על קידוד הנתונים בפורטל או https://sysbio.ucsd.edu/public/xcao3/ENCODESample/ENCFF001UBC.bed). באמצעות קובץ זה כמו שאילתת חיפוש נגד כל datasets קידוד ב- H1-hESC, GeNemo יראה כי האות איגוד E2F6 בכבדות מועשר H3K4me1, H3K4me2, H3K4me3 ו H3K27me3, אשר מסכים עם קיימים מחקרים המראים כי E2F6 מסדיר כמה גנים דרך מתילציה של H3K279. מצד שני, נראה שיש colocalization של אתרי קישור E2F6 ו CtBP2, אשר ידוע לקיים אינטראקציה עם גורם באותו המשפחה, E2F710. אלה תוצאות הגנום כולו כנגד מספר רב של סימני epigenetic, גנים ברמת השעתוק גורם מחייב אותות אותות אחרים הכלולים קדד ניתן להשיג די בקלות עם GeNemo, אשר יכול לספק כל מטרות פוטנציאליות לצורך ניתוח נוסף.
מאז הראשון פרסום5 של GeNemo ככלי חיפוש נתונים מבוססי-אינטרנט epigenomic, המקטע תוצאות של GeNemo עודכן כדי לקבל מראה תואם עם עמוד השער של GeNemo. החלק הישן של תוצאות באופן הדוק שיקוף המקטע תוצאות UCSC דפדפן הגנום, היה תלויה בעיקר השרת המרוחק UCSC לתצוגה. עם הממשק החדש, GeNemo הוא ידידותי יותר, כבר לא תלוי בשרת הגנום UCSC (למרות הנתונים עדיין הובאו מרחוק). פעולה זו הופכת GeNemo יותר חזקים ופחות פגיעים לבעיות עקב שינויים בקוד בשרת UCSC. יתר על כן, ממשק חדש, מהיר פולימר של GeNemo נותן למשתמש יותר כלים כדי להמחיש ולנתח דפוסים בנתונים.
שלבים קריטיים כוללים מתן קובץ הקלט המתאים, בחירת מסלולים הנתונים לחיפוש נגד. מומלץ להתנסות שונים משתמשים במסלול פונקציות בחירה כדי להכיר תהליך הבחירה והפקודות כמה שונה יכול להיות משולב על מנת להשיג את התוצאה המיועד. בפרט, שימו לב כי הפונקציה 'הוסף' דרוש כדי להוסיף רצועות הרצוי נבחר לשאילתה, בעוד "לסנן" או "אל תכלול" יכול לשמש ההיגיון שער פקודות "AND" ו "או", בהתאמה. הפונקציה "עדכון" נדרשת כדי להשפיע על כל הבחירות לפני ביצוע החיפוש. כאשר לא מוחזרות תוצאות, משתמש עשוי לבדוק את קובץ נתוני הקלט, חפש מסלולים נוספים או להגדיל את טווח החיפוש. בכל פעם שיש שגיאה, יהיה חלון צצים מגדיר מהו בדיוק השגיאה. יש כמה טעויות רב-משמעי, למרות זאת. לדוגמה, כאשר החלון אומר כי 'אין קובץ הועלה', או אין קובץ הועלה, או הקובץ שהועלה לא היה של תבנית מקובלת, כתוצאה מכך, התוכנית לא היתה אפשרות לקרוא את זה בצורה נכונה. תבניות קובץ מקובל עבור העלאת קובץ כוללים מיטה ושל פסגות קובץ תבנית עבור שיטות להעלות הן אישיות חשובה להעלאה קישור מקוון בלבד. גרסאות מכווצות תבניות קבצים אלה מקובלים גם.
מגבלות הנוכחי של גישה זו כוללים את האלגוריתמים עדיין ללהיות-אופטימיזציה פונקציות המועסקים ב- GeNemo. GeNemo עדיין אינו יכול לספק כל הנחיות על הפירוש. של כל datasets חזר. משימה זו הוא המשתמשים, מה שדורש ידע משמעותי ומומחיות בביולוגיה של הגנום של epigenome. בנוסף, עוד מגבלה הנוכחי הוא למשתמשים אפשרות לשנות את רגישות ורמת הרעש של החיפושים. אנו מצפים להמשיך לשפר ולהרחיב את GeNemo על דפוס שלו חיפוש יכולות ואיסוף נתונים (dataset) בעתיד.
Disclosures
המחברים יש אינטרסים כלכליים מתחרים לא לחשוף.
Acknowledgments
עבודה זו נתמכה על ידי NIH מעניקה כולל DP1HD087990 מ NICHD, R01HG008135 מן NHGRI. אנו מודים חברי המעבדה Zhong למשוב יקרי ערך.
תרומות מחבר:
X.C., A.T.Z. מתעדכנת GeNemo על-ידי קידוד ממשק חדש ותכונות; A.T.Z. הפיק את הווידאו שבאתר מדגם; A.T.Z., X.C, ש ז כתב העיתון.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| GENEMO | https://www.genemo.org | Comparative Epigenome Browser |
References
- The ENCODE Project Consortium. An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome. Nature. 489, 57-74 (2012).
- Barski, A., et al. High-Resolution Profiling of Histone Methylations in the Human Genome. Cell. 129 (4), 823-837 (2007).
- Meaney, M. J., Ferguson-Smith, A. C. Epigenetic regulation of the neural transcriptome: the meaning of the marks. Nature Neuroscience. 13, 1313-1318 (2010).
- Roh, T. -Y., Cuddapah, S., Cui, K., Zhao, K. The genomic landscape of histone modifications in human T cells. PNAS. 103 (43), 15782-15787 (2006).
- Zhang, Y., Cao, X., Zhong, S. GeNemo: a search engine for web-based functional genomic data. Nucleic Acids Res. 44, W122-W127 (2016).
- Fujita, P. A., Rhead, B., Zweig, A. S., Hinrichs, A. S., Karolchik, D., Cline, M. S., Goldman, M., Barber, G. P., Clawson, H., Coelho, A., et al. The UCSC Genome Browser database: update 2011. Nucleic Acids Res. 39, 876-882 (2011).
- Neph, S., Vierstra, J., Stergachis, A. B., Reynolds, A. P., Haugen, E., Vernot, B., Thurman, R. E., John, S., Sandstrom, R., Johnson, A. K., et al. An expansive human regulatory lexicon encoded in transcription factor footprints. Nature. 489, 83-90 (2012).
- Sarda, S., Hannenhalli, S. Next-generation sequencing and epigenomics research: a hammer in search of nails. Genomics Inform. 12 (1), 2-11 (2014).
- Storre, J., et al. Silencing of the Meiotic Genes SMC1β and STAG3 in Somatic Cells by E2F6. J Biol Chem. 280, 41380-41386 (2005).
- Liu, B., Shats, I., Angus, S. P., Gatza, M. L., Nevins, J. R. Interaction of E2F7 Transcription Factor with E2F1 and C-terminal-binding Protein (CtBP) Provides a Mechanism for E2F7-dependent Transcription Repression. J Biol Chem. 288, 24581-24589 (2013).
