JUMPn: יישום יעיל עבור אשכולות ביטוי משותף של חלבונים וניתוח רשת בפרוטאומיקה
19 באוקטובר 2021
אנו מציגים כלי לביולוגיה של מערכות JUMPn כדי לבצע ולהמחיש ניתוח רשת עבור נתוני פרוטאומיקה כמותית, עם פרוטוקול מפורט הכולל עיבוד נתונים מראש, אשכולות ביטוי משותף, העשרת מסלולים וניתוח רשת אינטראקציות חלבון-חלבון.
הפרוטוקול של תוכנת JUMPn נועד להקל על פרשנות ביולוגית של נתוני פרוטאומיקה כמותית. התוכנה מסוגלת לארגן את החלבון השלם בהיררכיית שכבות של אשכולות ביטוי משותף ומודולי האינטראקציה של חלבונים. יש לציין כי תוכנת JUMPn מייעלת את הניתוח של אשכולות ביטויים משותפים, העשרת מסלולים וזיהוי מודול PPI.
הוא מספק ממשק ידידותי למשתמש והדמיה אינטראקטיבית של הנתונים והרשתות. בעוד שהדגמנו בהצלחה את היישום של JUMPn בניתוח נתוני פרוטאום שלם, השיטה ניתנת להרחבה בקלות לסוגי נתונים אחרים, כולל ניתוח פוספופרוטאומיקה ונתונים אינטראקטיביים מספקטרומטריית מסת טיהור זיקה. כדי להגדיר את תוכנת JUMPn, הורד את קוד המקור מאתר האינטרנט והתקן את התוכנה במסוף שורת הפקודה.
כדי להפעיל את תוכנת JUMPn, שנה את הספריה הנוכחית לתיקיית הביצוע על-ידי הקלדת ביצוע תקליטורים במסוף, ולאחר מכן הזן את הטקסט במסוף כדי להפעיל את ה- JUMPn בדפדפן האינטרנט. בדף הבית של JUMPn, לחץ על כפתור ניתוח תחילת העבודה כדי להתחיל את ניתוח JUMPn, ולאחר מכן בפינה השמאלית התחתונה של דף ניתוח תחילת העבודה, לחץ על לחצן העלה הדגמה B-Cell Proteomic Data כדי להציג הודעה על הצלחת העלאת הנתונים. בפינה השמאלית התחתונה של הדף, לחץ על הלחצן שלח ניתוח JUMPn כדי ליזום את הפעלת ההדגמה באמצעות פרמטרים המוגדרים כברירת מחדל.
סרגל התקדמות יציין את מהלך הניתוח. המתן עד למילוי סרגל ההתקדמות. לאחר סיום הפעלת ההדגמה, תופיע תיבת דו-שיח עם הודעת הרצת ההצלחה והנתיב המוחלט לתיקיית התוצאות, ולאחר מכן לחץ על המשך לכרטיסייה 'המשך לתוצאות'.
כאשר דף האינטרנט מכוון לתוצאות אשכול הביטויים המשותפים על-ידי אלגוריתם WGCNA, לחץ על הצג תוצאות בחלון הדיאלוג כדי להמשיך. בצד שמאל של דף התוצאות 1 דף פלט WGCNA, מצא את תבניות הביטוי המשותף של החלבון והשתמש בתבנית בחר את הביטוי כדי לנווט בין שתי תבניות איור. דמות Boxplot תיבחר כברירת מחדל.
בחר מגמות"tab כדי להציג את תרשים המגמות, כאשר כל שורה מייצגת את שפע החלבון הבודד בין הדגימות. הצבע של כל שורה מייצג עד כמה תבנית הביטוי קרובה לקונצנזוס של אשכול הביטויים המשותפים. בצד ימין של דף הפלט של WGCNA, ניתן לראות את מפת החום של העשרת המסלולים האונטולוגיים.
במפת חום, המסלולים המועשרים ביותר עבור כל אשכול יוצגו יחד. לאחר מכן, גלול מטה בדף האינטרנט כדי להציג את תבנית הביטוי עבור חלבונים בודדים. השתמש בתיבה הנפתחת, בחר את אשכול הביטויים המשותפים כדי לבחון חלבונים מכל אשכול, ולאחר מכן בחר חלבון מסוים בטבלה שעליה תעודכן באופן אוטומטי תרשים הבר שמתחת לטבלה כדי לשקף את שפע החלבונים שלו.
עבור שמות חלבונים ספציפיים, השתמש בתיבת החיפוש בצד ימין של הטבלה. מאוחר יותר, התבונן בתוצאות האינטראקציה בין חלבון לחלבון או על PPI על-ידי לחיצה על פלט PPI של עמוד התוצאות 2 בחלק העליון. כדי לקבל את התוצאות עבור אשכול ביטויים משותף ספציפי, לחץ על בחר את הכרטיסיה בחר את אשכול הביטויים המשותפים".
התצוגות של כל לוחות האיור יעודכנו עבור האשכול החדש שנבחר. בחלונית האיור השמאלית, הצג את רשתות ה- PPI עבור אשכול הביטויים המשותפים שנבחר באמצעות התיבה הנפתחת 'בחר לפי קבוצה' ולסמן מודולי PPI בודדים בתוך הרשת, ולאחר מכן עבור על התיבה שנבחרה בתבנית פריסת הרשת כדי לשנות את פריסת הרשת. שימוש בעכבר ובמשטח המגע, הגדל את התצוגה או הקטן את התצוגה של רשת PPI כדי להציג את שמות הגנים של כל צומת ברשת.
כאשר מגדילים את התצוגה, בחרו ולחצו על חלבון מסוים כדי להדגיש את החלבון ואת שכניו ברשת. ברשת, גרור צומת מסוים כדי לשנות את מיקומו בפריסה וארגן מחדש את פריסת הרשת. בחלונית הימנית של דף התוצאות של PPI, חקור את המידע ברמת האשכול של הביטוי המשותף המסייע בפרשנות של תוצאות PPI.
ניתן להציג את תבנית הביטוי המשותף באשכול שנבחר כ- boxplot כברירת מחדל. בחר מגמות"כדי להציג מגמות המתארות את תבנית הביטוי המשותף ולאחר מכן בחר בעלילת סרגל מסלול כדי להציג מסלולים מועשרים באופן משמעותי עבור אשכול הביטוי המשותף עם תרשים מעגל המסלול, הצג מסלולים מועשרים באופן משמעותי עבור אשכול הביטויים המשותפים בתבנית העלילה המעגלית. כדי להציג תוצאות ברמת מודול PPI בודדת, גלול מטה בדף התוצאה לדף האינטרנט של פלט PPI והרחב את התיבה הנפתחת בחר את המודול כדי לבחור מודול PPI ספציפי לתצוגה.
הצג את מודול ה- PPI בחלונית השמאלית, תפעל את תצוגת הרשת כפי שהוסבר קודם לכן. בחלונית הימנית, הצג את תוצאות ההעשרה האונטולוגית של המסלול, ולאחר מכן השתמש בתיבה הנפתחת בחר את התיבה הנפתחת 'בחר את סגנון ההערה של המסלול' ובכרטיסיה 'סמן ברפלוט' כדי להציג מידע נוסף ולהציג מסלולים מועשרים באופן משמעותי עבור מודול ה-PPI שנבחר. תרשים מעגל טיק כדי להציג מסלולים מועשרים באופן משמעותי עבור מודול ה- PPI שנבחר בתבנית של חלקת מעגל ולהשתמש במפת חום כדי להציג מסלולים מועשרים באופן משמעותי ושמות הגנים הקשורים.
לכו על Tab Table כדי להציג את תוצאות העשרת המסלולים המפורטות, כולל שם המסלולים, מונחי אונטולוגיה, שמות גנים וערך P על ידי הבדיקה המדויקת של פישר. עקוב אחר הנתיב המוחלט המודפס בראש עמודי התוצאות ומצא את טבלת הגיליון האלקטרוני של הפרסום. JUMPn פותחה עם פלטפורמת R מבריקה לממשק ידידותי למשתמש ומשלבת שלושה מודולים פונקציונליים עיקריים.
ניתוח אשכולות של ביטויים משותפים, ניתוח העשרת מסלולים וניתוח רשת PPI. לאחר כל ניתוח התוצאות מוצגות באופן אוטומטי בהתאמה שלנו באמצעות פונקציות הווידג'ט המבריקות R וניתנות להורדה בקלות כטבלאות פרסום ופורמט Microsoft Excel. לצורך ניתוח רשת PPI, רשת PPI מורכבת נערכה על ידי שילוב של STRING, BioPlex ובמסדי נתונים של הודעות מיידיות באינטרנט.
רשת PPI הממוזגת הסופית מכסה יותר מ -20, 000 גנים אנושיים עם 1, 100, 000 קצוות. אינטראקציה מקיפה זו כלולה ומתפרסמת בחבילה עם תוכנת JUMPn לניתוח PPI רגיש. גישות מבוססות רשת הממנפות הן רשתות ביטוי משותף והן רשתות אינטראקציה של חלבונים יכולות לשמש כשיטה נוספת להסקת פעילות בגורמי שעתוק וקינאזות.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
תוכנת JUMPn היא כלי לביולוגיה של מערכות שנועד להקל על הפרשנות הביולוגית של נתוני פרוטאומיקה כמותית. היא מארגנת חלבונים במבנה היררכי של אשכולות ביטוי משותף ומודולי אינטראקציה, ובכך מייעלת את תהליכי הניתוח והויזואליזציה.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- ביולוגיה של מערכות
- פרוטאומיקה
- ויזואליזציה של נתונים
רקע
- JUMPn מסייע בניתוח של נתוני פרוטאומיקה כמותית.
- הוא מספק ממשק ידידותי למשתמש לאינטראקציה עם הנתונים.
- התוכנה תומכת בסוגי נתונים שונים, כולל פוספו-פרוטאומיקה.
- היא משפרת את ההבנה של אינטראקציות בין חלבונים ומסלולים ביולוגיים.
מטרת המחקר
- לייעל את ניתוח נתוני הפרוטאומיקה.
- להקל על ביצוע אשכולהוּת של ביטוי משותף (co-expression clustering) והעשרה של מסלולים (pathway enrichment).
- לספק ויזואליזציה אינטראקטיבית של רשתות אינטראקציה בין חלבונים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- עיבוד מקדים של נתונים עבור פרוטאומיקה כמותית.
- הקבצת ביטוי משותף (Co-expression clustering) של חלבונים.
- ניתוח העשרה של מסלולים (Pathway enrichment analysis).
- ניתוח רשת אינטראקציות בין חלבונים.
תוצאות עיקריות
- הדגמה מוצלחת של JUMPn בניתוח נתוני פרוטאום שלם.
- ארגון יעיל של חלבונים לאשכולות ביטוי משותף (co-expression clusters).
- זיהוי יעיל של מודולי אינטראקציית חלבונים.
- יכולות ויזואליזציה אינטראקטיביות המשפרות את פרשנות הנתונים.
מסקנות
- JUMPn הוא כלי בעל ערך לניתוח נתוני פרוטאומיקה כמותית.
- ניתן להרחיב את התוכנה לסוגי נתונים אחרים.
- היא מסייעת באופן משמעותי בפירוש הביולוגי של מערכי נתונים מורכבים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית ניהולית
JUMPn נותן מענה לאתגר של הפקת תובנות ביולוגיות ממאגרי נתונים של פרוטאומיקה כמותית בקנה מידה רחב, וזאת באמצעות שילוב של אשכולת ביטוי משותף (co-expression clustering), העשרה של מסלולים (pathway enrichment) וניתוח רשתות של אינטראקציות בין חלבונים. גישה יעילה זו משפרת את תיקוף המטרות ואת הפחתת הסיכונים המכניסטיים בשלבי הגילוי המוקדמים, בכך שהיא מאפשרת בדיקה מהירה של היפותזות ופרשנות ברמת המסלול. הכלי תומך בביטחון חיזוי בזיהוי מובילים (leads) ובמיון תיקי פיתוח, באמצעות ניתוח הדיר וניתן לשחזור של פרוטאומיות משובשות במודלים שונים של מחלות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של היפותזות טיפוליות באמצעות קיבוץ (clustering) של ביטוי משותף של חלבונים בין דגימות.
- ערך מדעי: תומך בתיקוף של מטרות פונקציונליות על ידי זיהוי חלבונים בעלי ביטוי לא תקין (dysregulated) ומודולי האינטראקציה שלהם.
- ערך תפעולי: מפחית עמימות מכניסטית על ידי קישור דפוסי ביטוי למסלולים מועשרים ולרשתות PPI.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מכין מערכות ביולוגיות שעברו תיקוף עבור תהליכי עבודה המשכיים, באמצעות ארגון פרוטאומיים לצבירים בעלי משמעות ביולוגית.
- ערך תפעולי: משפר את הסטנדרטיזציה והשחזוריות של הבדיקה באמצעות פלטים כמותיים המוכנים להדמיה ויזואלית.
- ערך תפעולי: תומך במוכנות לסריקה באמצעות ניתוח הניתן להרחבה ולשימוש חוזר של נתוני פרוטאומיקה מבוססי סימון איזובארי או ללא סימון (label-free).
מחקר תרגומי וטרום-קלמיני
- ערך מדעי: מקדם המשכיות תרגומית על ידי קישור אשכולות משלב הגילוי להתאמה של מסלולים ומסמנים ביולוגיים בשלב הפרה-קליני.
- ערך מדעי: מאפשר קבלת החלטות על קידום מותאמת סיכונים באמצעות ניתוח רשת PPI מורכבת המכסה למעלה מ-20,000 גנים אנושיים.
- ערך תפעולי: מקל על שיתוף פעולה בין-תפקודי באמצעות תוצאות אינטראקטיביות שניתנות להורדה בפורמטים מוכנים לפרסום.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
JUMPn משתלב ברצף הגילוי, מהביולוגיה המוקדמת ועד לזיהוי מובילים (lead identification), על ידי אספקת פלטים כמותיים ומבוססי ויזואליזציה התומכים בבדיקת היפותזות ובבירור מסלולים.
- ביולוגיה של גילוי (Discovery Biology): תומכת בבדיקת היפותזות ובהבהרה של מסלולים באמצעות מקבצי ביטוי משותף (co-expression clustering) ואנליזת העשרה.
- סריקה (Screening): מאפשרת מוכנות של בדיקה (assay) באמצעות מקבצים הניתנים לשחזור ומגמות כמותיות של שפע חלבונים בין דגימות.
- אנליטיקה: מספקת פלטים סטטיסטיים, כולל ערכי p של מבחן פישר המדויק (Fisher’s exact test) עבור העשרת מסלולים, מה שמאפשר השוואה בין תנאים.
- מחקר תרגומי (Translational Research): מקשרת לרציפות פרה-קלינית באמצעות אנליזת מודולי PPI והעשרת אונטולוגיה של מסלולים.
- שימוש חוזר ארגוני: משמשת כפלטפורמה לשימוש חוזר עבור מערכי נתונים כמותיים מגוונים, כולל נתוני פוספו-פרוטאומיקה (phosphoproteomics) ונתוני אינטראקטום (interactome).
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: ביטחון חיזוי, תיקוף מטרה, והפחתת עמימות מכניסטית.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה, הדירות ויכולת הרחבה (scalability).
- ערך אסטרטגי: קבלת החלטאות משופרת לגבי המשך התהליך (go/no-go), יעילות הון והפחתת סיכון ביולוגי בשלבים מאוחרים.
- השפעה על הפורטפוליו: תיעדוף והחלטות קידום מותאמות לסיכון.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות ב-R/Shiny ובביולוגיה של מערכות לשימוש מיטבי.
- נדרשת תשתית מחשוב לטיפול במערכי נתונים פרוטאומיים גדולים ולהצגת רשתות.
- נדרש סטנדרטיזציה בין צוותים לצורך עיצוב קלט ובחירת פרמטרים עקביים.
- נדרשת התאמה בעת יישום על מערכי נתונים של פרוטאומיקה שאינם אנושיים או מיוחדים.
- מגבלה מעשית: הפרשנות תלויה באיכות מאגרי הנתונים של PPI (כגון STRING, BioPlex, IM).
