UVA veselības pētnieki izstrādā jaunu rīku, lai veicinātu genomikas un slimību izpēti

UVA veselības pētnieki izstrādā jaunu rīku, lai veicinātu genomikas un slimību izpēti

UVA Health pētnieki ir izstrādājuši svarīgu jaunu rīku, lai palīdzētu zinātniekiem atšķirt signālus no trokšņa, pētot vēža un citu slimību ģenētiskos cēloņus. Papildus pētniecības veicināšanai un, iespējams, jaunu ārstēšanas metožu paātrināšanai, jaunais rīks varētu palīdzēt uzlabot vēža diagnostiku, atvieglojot ārstiem vēža šūnu noteikšanu.

Jaunais rīks, ko izstrādājis Chongzhi Zang, PhD, UVA un viņa komanda un līdzstrādnieki, ir matemātisks modelis, kas palīdzēs nodrošināt "lielo datu" integritāti par mūsu hromosomu, ģenētiskā materiāla, hromatīna, celtniecības blokiem. Hromatīnam – DNS un olbaltumvielu kombinācijai – ir svarīga loma mūsu gēnu darbības kontrolē. Ja hromatīns sabojājas, tas var pārvērst veselīgu šūnu par vēzi vai veicināt citas slimības.

Ģenētika un genomika e-grāmata

Pagājušā gada populārāko interviju, rakstu un ziņu apkopojums. Lejupielādējiet bezmaksas kopiju

Zinātnieki tagad var pētīt hromatīnu atsevišķās šūnās, izmantojot visprogresīvāko tehnoloģiju, ko sauc par vienas šūnas ATAC-seq, taču tas rada milzīgu datu daudzumu, tostarp daudz trokšņu un kropļojumu. Zang jaunais rīks to novērš, glābjot zinātniekus no viltus vadiem un veltīgiem centieniem.

Labākajos laikos liela mēroga genoma pētījumi atsevišķām šūnām ir kā “adatas medības siena kaudzē”, saka Zangs. Taču viņa jaunais rīks to padarīs daudz vienkāršāku, notīrot daudz sliktā siena.

Tradicionālajā datu analīzes veidā jūs varat redzēt dažus modeļus, kas izskatās kā reāli signāli konkrētam hromatīna stāvoklim, bet ir nepatiesi pašas eksperimentālās tehnoloģijas novirzes dēļ. Šādi viltus signāli var mulsināt zinātniekus. Mēs esam izstrādājuši modeli, lai labāk uztvertu un filtrētu šādus viltus signālus, lai īstā adata, kuru meklējam, varētu vieglāk izcelties no siena.

Chongzhi Zang, PhD, skaitļošanas biologs UVA Sabiedrības veselības genomikas centrā un UVA veselības vēža centrā

Par genomikas rīku

Zang jaunais rīks pielāgo modeli no skaitļu teorijas un kriptoloģijas, ko sauc par "vienkāršo kodēšanu". Viņš un viņa kolēģi to izmantoja, lai kodētu DNS sekvences matemātiskās formās un galu galā pārveidotu sarežģīto genoma secību daudz vienkāršākā matemātiskā formā. Pēc tam varat salīdzināt dažādas formas, lai secības datos noteiktu kropļojumus un troksni, ko nav viegli atrast, izmantojot tradicionālās pieejas.

"DNS sekvenču sarežģītība palielinās eksponenciāli, jo tās kļūst garākas. Tās ir grūti modelēt, jo tipiskā datu kopa satur miljoniem secību no tūkstošiem šūnu," sacīja Šengens Šons Hu, PhD, Zang laboratorijas pētnieks un šī darba vadošais autors. "Bet vienkāršās kodēšanas modelis var nodrošināt precīzu secības izkropļojumu novērtējumu tā skaistās matemātiskās īpašības dēļ."

Rīka testi parādīja, ka tas bija ievērojami labāks, analizējot sarežģītus vienas šūnas datus, lai raksturotu dažādus šūnu tipus. Tas ir svarīgi gan fundamentālajiem bioloģiskajiem pētījumiem, gan slimību diagnozei, kur ārstiem daudz lielākos paraugos ir jāatrod neliels skaits slimības šūnu, sākot no desmitiem tūkstošu līdz miljoniem šūnu.

"Kropļojumus nebija viegli atrast, jo tie bija saistīti ar reāliem signāliem un paslēpti lielajos datu apjomos. Tas varētu nebūt nekas liels, ja cilvēki tikai izvēlētos spēcīgākos signālus no liela skaita šūnu," sacīja Zangs. kurš nesen vadīja vairākus citus vienšūnu genomikas pētījumus, kas pētīja koronāro artēriju slimību un zarnu attīstību. "Taču, skatoties uz vienas šūnas datiem, vairs nav zemu augļa. Atsevišķas šūnas līmenī signāli vienmēr ir vāji, un trokšņa un kropļojumu ietekme var būt katastrofāla. Novirzes korekcija bieži tiek ignorēta, taču tai var būt izšķiroša nozīme vienas šūnas datu analīzē."

Lai padarītu savu jauno rīku plaši pieejamu, pētnieki izstrādāja bezmaksas atvērtā pirmkoda programmatūru un ievietoja to tiešsaistē. Programmatūru var atrast vietnē https://github.com/zang-lab/SELMA un plkst https://doi.org/10.5281/zenodo.7048767.

"Mēs ceram, ka šis rīks var dot labumu biomedicīnas pētniecības kopienai hromatīna bioloģijas un genomikas izpētē un galu galā atbalstīt slimību izpēti," sacīja Zangs. "Vienmēr ir aizraujoši redzēt, kā mūsu kolēģi izmanto mūsu izstrādātos rīkus, lai veiktu svarīgus zinātniskus atklājumus savos pētījumos."

Rezultāti publicēti

Pētnieki savus rezultātus publicēja žurnālā Nature Communications. (Rakstam ir atvērta piekļuve, tas nozīmē, ka tas ir brīvi lasāms.) Komandas sastāvā bija Šengens Šons Hu, Lins Liu, Cji Li, Veņdzjins Ma, Maikls Dž. Gērtins, Klifords A. Maijers, Ke Dens, Tingtings Džans un Čondži Zangs.

Zang ir daļa no UVA Sabiedrības veselības zinātņu, Bioķīmijas un Molekulārās ģenētikas un Biomedicīnas inženierijas katedrām. Biomedicīnas inženierijas katedra ir UVA Medicīnas skolas un Inženierzinātņu skolas sadarbība.

Darbu atbalstīja Nacionālo veselības institūtu dotācijas R35GM133712, K22CA204439 un R35GM128635; Nacionālais zinātnes fonds, Grants NSF-796 2048991; Pitsburgas Universitātes Pētniecības skaitļošanas centrs; UVA vēža centrs; un NIH Nacionālais vēža institūts, Vēža centra atbalsta dotācija P30 CA44579.

Avots:

Virdžīnijas Universitātes Veselības sistēma

Atsauce:

Hu, SS u.c. (2022) Iekšējās novirzes novērtējums, lai uzlabotu lielapjoma un vienas šūnas hromatīna pieejamības profilu analīzi, izmantojot SELMA. Dabas komunikācija. doi.org/10.1038/s41467-022-33194-z.

.