Cercetătorii UVA Health dezvoltă un nou instrument pentru a avansa genomica și cercetarea bolilor

Cercetătorii UVA Health dezvoltă un nou instrument pentru a avansa genomica și cercetarea bolilor

Cercetătorii UVA Health au dezvoltat un nou instrument important pentru a ajuta oamenii de știință să distingă semnalele de zgomot în timp ce studiază cauzele genetice ale cancerului și ale altor boli. Pe lângă avansarea cercetării și potențial accelerarea noilor tratamente, noul instrument ar putea ajuta la îmbunătățirea diagnosticului cancerului, facilitând detectarea celulelor canceroase de către medici.

Noul instrument, dezvoltat de Chongzhi Zang, PhD, UVA, și echipa și colaboratorii săi, este un model matematic care va ajuta la asigurarea integrității „date mari” despre elementele de bază ale cromozomilor noștri, material genetic numit cromatina. Cromatina – o combinație de ADN și proteine ​​– joacă un rol important în controlul activității genelor noastre. Când cromatina merge prost, poate transforma o celulă sănătoasă în cancer sau poate contribui la alte boli.

Carte electronică Genetică și Genomică

Compilare a celor mai bune interviuri, articole și știri din ultimul an. Descărcați o copie gratuită

Oamenii de știință pot studia acum cromatina în celule individuale folosind o tehnologie de ultimă oră numită ATAC-seq cu o singură celulă, dar aceasta produce o cantitate enormă de date, inclusiv mult zgomot și distorsiuni. Noul instrument al lui Zang reușește acest lucru, salvând oamenii de știință de piste false și eforturi irosite.

În cele mai bune vremuri, cercetarea genomică la scară largă asupra celulelor individuale este ca „vânarea unui ac într-un car de fân”, spune Zang. Dar noul său instrument va ușura mult, curățând mult fân rău.

În modul tradițional de analiză a datelor, este posibil să vedeți unele modele care arată ca semnale reale ale unei anumite stări de cromatina, dar sunt false din cauza părtinirii tehnologiei experimentale în sine. Astfel de semnale false pot deruta oamenii de știință. Am dezvoltat un model care să capteze și să filtreze mai bine astfel de semnale false, astfel încât acul adevărat pe care îl căutăm să iasă mai ușor în evidență din fân.”

Chongzhi Zang, PhD, biolog computațional la Centrul UVA pentru Genomică în Sănătate Publică și Centrul UVA pentru Cancer în Sănătate

Despre instrumentul genomic

Noul instrument al lui Zang adaptează un model din teoria numerelor și criptologie numit „codare simplex”. El și colegii săi au folosit acest lucru pentru a codifica secvențele ADN în forme matematice și în cele din urmă pentru a converti secvența complexă a genomului într-o formă matematică mult mai simplă. Puteți compara apoi diferite forme pentru a detecta distorsiuni și zgomot în datele secvenței care nu sunt ușor de găsit folosind abordările tradiționale.

"Complexitatea secvențelor de ADN crește exponențial pe măsură ce devin mai lungi. Sunt dificil de modelat, deoarece un set de date tipic conține milioane de secvențe din mii de celule", a spus Shengen Shawn Hu, PhD, cercetător în laboratorul lui Zang și autor principal al acestei lucrări. „Dar modelul de codare simplex poate oferi o estimare precisă a distorsiunilor de secvență datorită proprietății sale matematice frumoase.”

Testele instrumentului au arătat că a fost semnificativ mai bun la analiza datelor complexe dintr-o singură celulă pentru a caracteriza diferite tipuri de celule. Acest lucru este important atât pentru cercetarea biologică de bază, cât și pentru diagnosticarea bolilor, în care medicii trebuie să detecteze un număr mic de celule ale bolii în probe mult mai mari, variind de la zeci de mii la milioane de celule.

„Distorsiunile nu au fost ușor de găsit, deoarece au fost împletite cu semnale reale și ascunse în cantități mari de date. S-ar putea să nu fie mare lucru dacă oamenii ar alege cele mai puternice semnale dintr-un număr mare de celule”, a spus Zang. care recent co-a condus mai multe alte cercetări genomice unicelulare care studiază boala coronariană și dezvoltarea intestinală. „Dar atunci când te uiți la datele dintr-o singură celulă, nu mai există niciun fruct care nu se așteaptă. Semnalele sunt întotdeauna slabe la nivel de celulă individuală, iar efectele zgomotului și distorsiunii pot fi catastrofale. Corecția părtinirii este adesea ignorată, dar poate fi crucială în analiza datelor cu o singură celulă”.

Pentru a face noul lor instrument disponibil pe scară largă, cercetătorii au dezvoltat software gratuit și l-au pus online. Software-ul poate fi găsit la https://github.com/zang-lab/SELMA iar la https://doi.org/10.5281/zenodo.7048767.

„Sperăm că acest instrument poate aduce beneficii comunității de cercetare biomedicală în studierea biologiei cromatinei și a genomicii și, în cele din urmă, poate sprijini cercetarea bolilor”, a spus Zang. „Este întotdeauna interesant să vedem cum colegii noștri folosesc instrumentele pe care le dezvoltăm pentru a face descoperiri științifice importante în propria lor cercetare.”

Rezultate publicate

Cercetătorii și-au publicat rezultatele în revista Nature Communications. (Articolul este cu acces deschis, adică liber de citit.) Echipa a fost formată din Shengen Shawn Hu, Lin Liu, Qi Li, Wenjing Ma, Michael J. Guertin, Clifford A. Meyer, Ke Deng, Tingting Zhang și Chongzhi Zang.

Zang face parte din departamentele UVA de Științe ale Sănătății Publice, Biochimie și Genetică Moleculară și Inginerie Biomedicală. Departamentul de Inginerie Biomedicală este o colaborare a Școlii de Medicină UVA și a Școlii de Inginerie.

Lucrarea a fost susținută de subvențiile National Institutes of Health R35GM133712, K22CA204439 și R35GM128635; Fundația Națională de Știință, Grant NSF-796 2048991; Universitatea din Pittsburgh Centrul pentru Cercetare Computing; Centrul de cancer UVA; și Institutul Național al Cancerului din NIH, Cancer Center Support Grant P30 CA44579.

Sursă:

Sistemul de sănătate al Universității din Virginia

Referinţă:

Hu, SS, și colab. (2022) Estimarea părtinirii intrinseci pentru analiza îmbunătățită a profilurilor de accesibilitate a cromatinei în vrac și unicelulare folosind SELMA. Comunicarea naturii. doi.org/10.1038/s41467-022-33194-z.

.