Изследователите на UVA Health разработват нов инструмент за напредък в геномиката и изследванията на болестите

Изследователите на UVA Health разработват нов инструмент за напредък в геномиката и изследванията на болестите

Изследователите на UVA Health разработиха важен нов инструмент, който да помогне на учените да разграничат сигналите от шума, докато изучават генетичните причини за рак и други заболявания. В допълнение към напредването на изследванията и потенциалното ускоряване на нови лечения, новият инструмент може да помогне за подобряване на диагностиката на рака, като улесни лекарите да откриват ракови клетки.

Новият инструмент, разработен от Chongzhi Zang, PhD, UVA, и неговия екип и сътрудници, е математически модел, който ще помогне да се гарантира целостта на „големите данни“ за градивните елементи на нашите хромозоми, генетичен материал, наречен хроматин. Хроматинът – комбинация от ДНК и протеин – играе важна роля в контролирането на активността на нашите гени. Когато хроматинът се обърка, той може да превърне здрава клетка в рак или да допринесе за други заболявания.

Електронна книга по генетика и геномика

Компилация от най-добрите интервюта, статии и новини от последната година. Изтеглете безплатно копие

Сега учените могат да изследват хроматина в отделни клетки, използвайки авангардна технология, наречена едноклетъчна ATAC-seq, но това произвежда огромно количество данни, включително много шум и изкривяване. Новият инструмент на Zang се справя с това, спасявайки учените от фалшиви следи и напразни усилия.

В най-добрите времена широкомащабните геномни изследвания върху единични клетки са като „лов за игла в купа сено“, казва Занг. Но неговият нов инструмент ще го направи много по-лесно, като разчисти много лошо сено.

При традиционния начин на анализ на данни може да видите някои модели, които изглеждат като реални сигнали за определено състояние на хроматина, но са неверни поради отклонението на самата експериментална технология. Такива фалшиви сигнали могат да объркат учените. Разработихме модел за по-добро улавяне и филтриране на такива фалшиви сигнали, така че истинската игла, която търсим, да може по-лесно да се открои от сеното.“

Chongzhi Zang, PhD, изчислителен биолог в UVA Центъра за геномика на общественото здраве и UVA Health Cancer Center

Относно инструмента за геномика

Новият инструмент на Zang адаптира модел от теорията на числата и криптологията, наречен "симплексно кодиране". Той и колегите му са използвали това, за да кодират ДНК последователности в математически форми и в крайна сметка да преобразуват сложната геномна последователност в много по-проста математическа форма. След това можете да сравните различни форми, за да откриете изкривявания и шум в данните за последователността, които не се намират лесно с традиционните подходи.

„Сложността на ДНК последователностите се увеличава експоненциално, когато стават по-дълги. Те са трудни за моделиране, защото типичният набор от данни съдържа милиони последователности от хиляди клетки“, каза д-р Шенген Шон Ху, изследовател в лабораторията на Занг и водещ автор на тази работа. „Но моделът на симплексно кодиране може да осигури точна оценка на изкривяванията на последователността поради красивото си математическо свойство.“

Тестовете на инструмента показаха, че той е значително по-добър при анализирането на сложни данни от една клетка за характеризиране на различни типове клетки. Това е важно както за основните биологични изследвания, така и за диагностиката на заболяването, където лекарите трябва да открият малък брой болестни клетки в много по-големи проби, вариращи от десетки хиляди до милиони клетки.

"Изкривяванията не бяха лесни за намиране, защото бяха преплетени с реални сигнали и скрити в големите количества данни. Може да не е голяма работа, ако хората просто изберат най-силните сигнали от голям брой клетки", каза Занг. който наскоро ръководи няколко други едноклетъчни геномни изследвания, изучаващи коронарна артериална болест и развитие на червата. „Но когато погледнете данните от една клетка, вече няма никакви ниско висящи плодове. Сигналите винаги са слаби на ниво отделна клетка и ефектите от шума и изкривяването могат да бъдат катастрофални. Корекцията на отклонението често се пренебрегва, но може да бъде от решаващо значение при анализа на данни от една клетка.“

За да направят своя нов инструмент широко достъпен, изследователите разработиха безплатен софтуер с отворен код и го пуснаха онлайн. Софтуерът може да бъде намерен на https://github.com/zang-lab/SELMA и при https://doi.org/10.5281/zenodo.7048767.

„Надяваме се, че този инструмент може да бъде от полза за общността на биомедицинските изследвания при изучаването на биологията и геномиката на хроматина и в крайна сметка да подкрепи изследването на болестите“, каза Занг. „Винаги е вълнуващо да видим как нашите колеги използват инструментите, които разработваме, за да правят важни научни открития в собствените си изследвания.“

Резултатите са публикувани

Изследователите публикуваха резултатите си в списанието Nature Communications. (Статията е с отворен достъп, което означава, че е свободна за четене.) Екипът се състоеше от Шенген Шон Ху, Лин Лиу, Чи Ли, Уенджинг Ма, Майкъл Дж. Гертин, Клифърд А. Майер, Ке Денг, Тингтинг Джан и Чонгжи Занг.

Zang е част от отделите на UVA по обществени здравни науки, биохимия и молекулярна генетика и биомедицинско инженерство. Катедрата по биомедицинско инженерство е сътрудничество на UVA School of Medicine и School of Engineering.

Работата беше подкрепена от субсидии на Националния институт по здравеопазване R35GM133712, K22CA204439 и R35GM128635; Националната научна фондация, грант NSF-796 2048991; Центърът за компютърни изследвания на Университета в Питсбърг; UVA раков център; и Националния институт по рака на NIH, Грант за подкрепа на онкологичния център P30 CA44579.

източник:

Здравна система на Университета на Вирджиния

Справка:

Hu, SS и др. (2022) Оценка на присъщо отклонение за подобрен анализ на профили на достъпност на хроматин в насипни и едноклетъчни клетки с помощта на SELMA. Общуване с природата. doi.org/10.1038/s41467-022-33194-z.

.