يقوم باحثو UVA Health بتطوير أداة جديدة لتعزيز أبحاث الجينوم والأمراض

يقوم باحثو UVA Health بتطوير أداة جديدة لتعزيز أبحاث الجينوم والأمراض

طور باحثو UVA Health أداة جديدة مهمة لمساعدة العلماء على التمييز بين الإشارات والضوضاء أثناء دراستهم للأسباب الوراثية للسرطان والأمراض الأخرى. بالإضافة إلى تطوير الأبحاث واحتمال تسريع العلاجات الجديدة، يمكن للأداة الجديدة أن تساعد في تحسين تشخيص السرطان من خلال تسهيل اكتشاف الخلايا السرطانية على الأطباء.

الأداة الجديدة، التي طورها Chongzhi Zang، دكتوراه، UVA، وفريقه والمتعاونين معه، هي نموذج رياضي من شأنه أن يساعد في ضمان سلامة "البيانات الضخمة" حول اللبنات الأساسية للكروموسومات لدينا، وهي مادة وراثية تسمى الكروماتين. يلعب الكروماتين – وهو مزيج من الحمض النووي والبروتين – دورًا مهمًا في التحكم في نشاط جيناتنا. عندما يحدث خطأ في الكروماتين، فإنه يمكن أن يحول الخلية السليمة إلى سرطان أو يساهم في أمراض أخرى.

كتاب علم الوراثة وعلم الجينوم الإلكتروني

تجميع لأهم المقابلات والمقالات والأخبار من العام الماضي. تنزيل نسخة مجانية

يستطيع العلماء الآن دراسة الكروماتين في الخلايا الفردية باستخدام تقنية متطورة تسمى الخلية الواحدة ATAC-seq، لكن هذا ينتج كمية هائلة من البيانات، بما في ذلك الكثير من الضوضاء والتشويه. وتتغلب أداة زانغ الجديدة على ذلك، وتنقذ العلماء من الخيوط الكاذبة والجهود الضائعة.

يقول زانج: في أفضل الأوقات، تكون الأبحاث الجينومية واسعة النطاق على الخلايا المنفردة بمثابة "البحث عن إبرة في كومة قش". لكن أداته الجديدة ستجعل الأمر أسهل بكثير من خلال إزالة الكثير من القش السيئ.

في الطريقة التقليدية لتحليل البيانات، قد ترى بعض الأنماط التي تبدو وكأنها إشارات حقيقية لحالة كروماتينية معينة، ولكنها خاطئة بسبب انحياز التكنولوجيا التجريبية نفسها. مثل هذه الإشارات الزائفة يمكن أن تربك العلماء. لقد قمنا بتطوير نموذج لالتقاط مثل هذه الإشارات الكاذبة وتصفيتها بشكل أفضل بحيث يمكن للإبرة الحقيقية التي نبحث عنها أن تبرز بسهولة أكبر من القش.

Chongzhi Zang، دكتوراه، عالم الأحياء الحسابي في مركز UVA لجينوم الصحة العامة ومركز UVA للسرطان الصحي

حول أداة الجينوم

تتكيف أداة زانغ الجديدة مع نموذج من نظرية الأعداد والتشفير يسمى "الترميز البسيط". استخدم هو وزملاؤه هذا لتشفير تسلسل الحمض النووي إلى أشكال رياضية وفي النهاية تحويل تسلسل الجينوم المعقد إلى شكل رياضي أبسط بكثير. يمكنك بعد ذلك مقارنة الأشكال المختلفة لاكتشاف التشوهات والتشويش في بيانات التسلسل التي لا يمكن العثور عليها بسهولة باستخدام الطرق التقليدية.

قال شنغن شون هو، دكتوراه، باحث في مختبر زانغ والمؤلف الرئيسي لهذا العمل: "يزداد تعقيد تسلسلات الحمض النووي بشكل كبير مع زيادة طولها. ومن الصعب تصميمها لأن مجموعة البيانات النموذجية تحتوي على ملايين التسلسلات من آلاف الخلايا". "لكن نموذج الترميز البسيط يمكن أن يوفر تقديرًا دقيقًا لتشوهات التسلسل بسبب خاصيته الرياضية الجميلة."

وأظهرت اختبارات الأداة أنها كانت أفضل بكثير في تحليل بيانات الخلية المفردة المعقدة لوصف أنواع الخلايا المختلفة. وهذا مهم لكل من البحوث البيولوجية الأساسية وتشخيص الأمراض، حيث يحتاج الأطباء إلى اكتشاف أعداد صغيرة من الخلايا المرضية في عينات أكبر بكثير، تتراوح من عشرات الآلاف إلى ملايين الخلايا.

وقال زانغ: "لم يكن من السهل العثور على التشوهات لأنها كانت متشابكة مع إشارات حقيقية ومخفية في كميات كبيرة من البيانات. قد لا يكون الأمر مشكلة كبيرة إذا اختار الناس أقوى الإشارات من عدد كبير من الخلايا". الذي شارك مؤخرًا في قيادة العديد من الأبحاث الأخرى في مجال جينوم الخلية الواحدة التي تدرس مرض الشريان التاجي وتطور الأمعاء. "ولكن عندما تنظر إلى بيانات الخلية الواحدة، لم يعد هناك أي ثمار قريبة. فالإشارات تكون دائمًا ضعيفة على مستوى الخلية الفردية، ويمكن أن تكون تأثيرات الضوضاء والتشويه كارثية. وغالبًا ما يتم تجاهل تصحيح التحيز، ولكنه يمكن أن يكون حاسمًا في تحليل بيانات الخلية الواحدة".

ولإتاحة أدواتهم الجديدة على نطاق واسع، قام الباحثون بتطوير برامج مجانية مفتوحة المصدر ووضعوها على الإنترنت. يمكن العثور على البرنامج في https://github.com/zang-lab/SELMA وفي https://doi.org/10.5281/zenodo.7048767.

وقال زانغ: "نأمل أن تفيد هذه الأداة مجتمع البحوث الطبية الحيوية في دراسة بيولوجيا الكروماتين وعلم الجينوم ودعم أبحاث الأمراض في نهاية المطاف". "من المثير دائمًا أن نرى كيف يستخدم زملاؤنا الأدوات التي نطورها لتحقيق اكتشافات علمية مهمة في أبحاثهم الخاصة."

تم نشر النتائج

ونشر الباحثون نتائجهم في مجلة Nature Communications. (المقالة مفتوحة الوصول، مما يعني حرية القراءة.) يتكون الفريق من شينجن شون هو، ولين ليو، وتشي لي، وينجينج ما، ومايكل جيه.

Zang هو جزء من أقسام UVA لعلوم الصحة العامة والكيمياء الحيوية وعلم الوراثة الجزيئية والهندسة الطبية الحيوية. قسم الهندسة الطبية الحيوية هو عبارة عن تعاون بين كلية الطب بجامعة UVA وكلية الهندسة.

تم دعم العمل من خلال منح المعاهد الوطنية للصحة R35GM133712، وK22CA204439، وR35GM128635؛ المؤسسة الوطنية للعلوم، جرانت NSF-796 2048991؛ مركز جامعة بيتسبرغ لأبحاث الحوسبة؛ مركز أوفا للسرطان؛ والمعهد الوطني للسرطان التابع للمعاهد الوطنية للصحة، منحة دعم مركز السرطان P30 CA44579.

مصدر:

النظام الصحي بجامعة فيرجينيا

مرجع:

هو، سس، وآخرون. (2022) تقدير التحيز الجوهري لتحسين تحليل ملفات تعريف إمكانية الوصول إلى الكروماتين السائبة والخلية الواحدة باستخدام SELMA. التواصل مع الطبيعة. doi.org/10.1038/s41467-022-33194-z.

.